【某城市快速路连续刚构箱梁裂缝原因分析】详述箱梁裂缝处理方法

　　对预应力混凝土连续刚构桥的特点进行了介绍，结合某城市快速路连续刚构桥运营中的裂缝分布现状，对连续刚构桥的开裂原因进行了深入分析，使大家对该类型桥梁的裂缝产生规律和形成机理有了全面和深刻的认识，为其在公路和市政工程建设中的进一步推广应用打下了基础。
　　
　　随着高速公路和城市快速路等基础设施建设快速发展，预应力混凝土连续刚构桥得到迅速发展和广泛应用。特别是这类桥梁具有结构刚度大、行车平顺性好、设置伸缩缝少和养护简单等优点，越来越多的受到人们的认可。但是在大量修建这类桥梁后，也暴露出一些问题，最突出的就是混凝土结构的开裂。其开裂的部位大多出现在箱梁的顶板、腹板和底板，裂缝主要表现为纵向裂缝、弯曲裂缝、弯曲剪应力裂缝和主拉应力裂缝。
　　某城市快速路共有5座大跨度连续刚构桥，在近期检测中发现多座连续刚构存在不同程度的病害，有的主跨外侧底板普遍有纵向裂缝，最大裂缝宽度达到1.0mm；有的腹板与翼板交界处有斜裂缝；有的腹板中部分布多条水平裂缝。本文将以其中1＃桥为例（上部结构布置图见图1），对这类桥梁运营中的裂缝分布情况进行介绍，对其开裂原因进行深入分析，使大家对该类型桥梁的裂缝产生规律和形成机理有全面和深刻的认识，为其在公路和市政工程建设中的进一步推广应用打下基础。
　　 1. 1＃桥箱梁裂缝分布现状及原因分析
　　1＃桥连续刚构箱梁裂缝主要为底板、顶板纵向裂缝、腹板斜裂缝和水平裂缝、齿板封锚和横隔板裂缝等。箱梁裂缝分布情况如下：
　　左幅箱梁外裂缝中，腹板水平裂缝共计5条，裂缝宽度在0.06～0.14mm之间；腹板斜裂缝共计11条，裂缝宽度在0.03～0.18mm之间；左幅底板纵向裂缝共计217条，裂缝宽度在0.02～1.03mm之间。
　　左幅箱梁内裂缝中，腹板水平裂缝共计16条，裂缝宽度在0.02～0.18mm之间；腹板斜裂缝共计4条，裂缝宽度在0.04～0.1mm之间；顶板纵向裂缝共计14条，裂缝宽度在0.04～0.3mm之间；倒角裂缝共计6条，裂缝宽度在0.03～0.14mm之间；齿板裂缝共计12条，裂缝宽度在0.03～0.12mm之间。
　　右幅箱梁外裂缝中，腹板水平裂缝共计7条，裂缝宽度在0.07～0.14mm之间；腹板斜裂缝共计23条，裂缝宽度在0.02～0.18mm之间；右幅底板纵向裂缝共计210条，裂缝宽度在0.03～0.4mm之间。
　　右幅箱梁内裂缝中，腹板水平裂缝共计5条，裂缝宽度在0.05～0.14mm之间；腹板斜裂缝共计2条，裂缝宽度在0.04～0.16mm之间；顶板纵向裂缝共计5条，裂缝宽度在0.04～0.08mm之间；倒角裂缝共计3条，裂缝宽度在0.06～0.2mm之间；齿板裂缝共计2条，裂缝宽度在0.06～0.16mm之间
　　对于箱梁裂缝成因分析如下：
　　（1）腹板的斜裂缝（见图2）
　　主要表现特征：腹板斜裂缝主要为分布在中跨箱梁外腹板0~L/5、4L/5~5L/5区间的斜裂缝，一般斜裂缝分布在箱梁外腹板上部与翼板交界处，腹板中下部以水平裂缝为主。斜裂缝大多从靠近主墩方向的浇接缝开始向后浇块一侧（跨中方向）扩展，即裂缝呈15~30º左右由主墩向跨中扩展，部分延伸至翼板。
　　主要产生原因：1）主拉应力产生的腹板斜裂缝，主要是由于箱梁桥支座附近剪应力过大，腹板抗剪能力不足，以及主拉应力方向抗裂安全储备考虑不充分等因素造成；对于箱梁桥腹板而言，抗剪能力主要是混凝土本身的抗剪能力、纵向弯起束预应力产生的正应力和竖向非预应力钢筋网三部分组成，前两者防止腹板开裂，后者控制腹板裂缝扩展且补偿纵向弯起束预应力空白区（即主拉应力控制的空白区）；竖向预应力由于预应力筋短，锚具预应力损失大，施工上具有一定的难度，因此，在主拉应力较大区，一旦竖向预应力损失过大，斜截面抗剪承载力将严重不足，从而导致腹板出现严重斜裂缝；2）锚后拉应力产生的腹板斜裂缝，悬臂分段浇筑中，锚头往往布置在接缝面；由于在接缝面上新浇混凝土之间的抗拉强度降低很多，预应力筋在锚固区将引起局部高压应力而导致蠕变；由于这种蠕变，锚头后面将产生拉应力，如果锚后受拉钢筋配置不足时，则在锚固区的接缝面就很容易发生裂缝；3）边跨端部腹板斜裂缝，边跨端部往往是在支架上现浇的，此处剪力较大，在施工和体系转换过程中会受到一些次应力的影响，也是局部应力集中之处；同时，巨大的支座应力也主要是依靠腹板传递的。边跨梁端也是预应力钢筋锚固区域，局部高应力所引起的局部徐变（蠕变）也比较大；4）在竖向正应力和主拉应力共同作用下，腹板会出现水平、斜向组合裂缝。
　　（2）底板的纵向裂缝（见图3）
　　主要表现特征：底板纵向裂缝大多位于边跨的合拢段及附近节段以及中跨的1/4跨至3/4跨之间，通常主要分布在底板底面中间区域，沿横断面方向呈跨中密、粗而长，两侧相对较疏、细而短。
　　主要产生原因：1）施工时底板预应力钢束保护层厚度设置不适当，加上采用的高强度混凝土用量偏多、水泥浆含量偏大，采用早强剂，导致较大的收缩变形；2）在箱梁结构的内约束（包括底板截面的不均匀收缩和波纹管对混凝土收缩的约束）作用下，导致较大的混凝土收缩应力，超过了当时混凝土的抗拉强度，从而导致出现沿波纹管纵向的收缩裂缝；3）由于箱梁桥畸变和横向弯曲产生的。由于在箱梁桥底板处的剪应力相对较小，所以主应力的方向大致与箱梁桥底板的横向方向相同，产生的裂缝方向大致与桥轴方向平行。
　　此外底板的齿板受力，曲线配索的横向受力，预应力筋锚头处局部应力，以及截面分层处和施工接缝处的局部应力都有可能产生严重的局部应力，使底板开裂；箱梁桥混凝土温度应力、剪力滞效应以及通车后活载的增加亦是底板纵向裂缝发生的主要原因。
　　（3）顶板的纵向裂缝
　　主要表现特征：通常主要分布在顶板底面中间区域，沿横断面方向呈跨中密、粗而长，两侧相对较疏、细而短。箱梁内顶板纵向裂缝大多已封闭，封闭后状况良好，未再次开裂或继续向前扩展，检测中新发现的顶板纵向裂缝主要位于第6跨和第8跨现浇段。
　　主要产生原因：1）施工时顶板预应力钢束保护层厚度设置不适当，加上采用的高强度混凝土用量偏多、水泥浆含量偏大，采用早强剂，导致较大的收缩变形；2）在箱梁结构的内约束（包括顶板截面的不均匀收缩和波纹管对混凝土收缩的约束）作用下，导致较大的混凝土收缩应力，超过了当时混凝土的抗拉强度，从而导致出现沿波纹管纵向的收缩裂缝；3）由于箱梁桥畸变和横向弯曲产生的。由于箱梁为单箱单室结构，箱梁横向跨度较大，在荷载作用下，顶板将出现横向弯距，产生较大的弯曲应力，由于在箱梁桥顶板处的剪应力相对较小，所以主应力的方向大致与箱梁桥顶板的横向方向相同，产生的裂缝方向大致与桥轴方向平行。
　　此外顶板的齿板受力，预应力筋锚头处局部应力，以及截面分层处和施工接缝处的局部应力都有可能产生严重的局部应力，使顶板开裂；箱梁桥混凝土温度应力、剪力滞效应以及通车后活载的增加亦是顶板纵向裂缝发生的主要原因。
　　（4）腹板水平裂缝（见图2）
　　腹板水平裂缝分布特点是：左幅腹板水平裂缝多出现在中跨箱梁内侧靠近跨中的位置，即中跨2/5L至4/5L的区间，右幅腹板水平裂缝多出现在中跨箱梁外侧4L/5~5L/5区间及中跨箱梁内侧2L/5~3L/5区间。
　　主要产生原因：1）箱梁悬臂施工前后现浇节段混凝土收缩速度不一致，在现浇截面两侧，新浇筑混凝土收缩受已浇筑混凝土段的约束作用，导致较大的混凝土收缩应力，超过了当时混凝土的抗拉强度，从而导致出现垂直于浇接缝的水平收缩裂缝；2）竖向正应力产生的腹板水平裂缝，在荷载作用下箱梁桥的变形并不完全符合经典梁理论周边刚性假定，会出现截面畸变变形，必然会产生竖向正应力。
　　（5）齿板封锚和横隔板开裂主要是由于锚固点周围和横隔板局部应力集中、过大，钢筋网设置不合理等原因引起的。
　　2.结语
　　（1）该桥于2006年10～12月进行过裂缝封闭灌浆等修补措施，此次检测发现裂缝封闭后基本稳定，对新发现的裂缝应该继续做封闭处理，同时密切关注桥梁线形、应力和裂缝的变化。
　　（2）对于预应力混凝土连续刚构桥箱梁裂缝产生的原因应该具体问题具体分析，根据裂缝的形态、位置、形成时间等信息找出开裂原因，最后有针对性的采取封闭维修或加固改造等措施。
　　（3）箱梁裂缝产生的原因与设计、施工、监测、运营等多方面都有关系，在设计阶段应该注意的问题有两个，一是结构尺寸要合理，部分箱梁腹板裂缝与其厚度太薄有关系，二是非预应力钢筋的配置要合理，国内在这方面普遍不够重视，设置非预应力钢筋的数量较国外少很多，国外的研究资料表明，必要数量的非预应力钢筋对于防止混凝土开裂非常有效。此外，改善施工工艺、加强施工监控、限制超载车辆的通行等都可以有效防止连续刚构箱梁裂缝的产生和发展。
　　参考文献
　　[1] 朱汉华，陈孟冲，袁迎捷. 预应力混凝土连续箱梁桥裂缝分析与防治，2006（3）.
　　[2] 深圳市道桥维修中心桥梁检测站. 广州南沙港快速路五座特大桥箱梁检查报告，2009（2）.
　　（作者单位：1中国测试技术研究院广州分院广州510030 2深圳市道桥维修中心桥梁检测站深圳518024）

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