预应力混凝土箱梁裂缝研究

预应力混凝土箱梁裂缝研究

摘要：本文主要是对预应力混凝土箱梁桥产生的裂缝及其原因和分析方法

进行分析研究，希望减少或是避免桥梁工程裂缝，从而提高工程的安全性和耐久性。

关键词：预应力；箱梁；裂缝

混凝土箱梁因具有良好的受力特性（整体性好、抗扭刚度大、顶底板受力面积大），而且适用于各种现代施工方法，同时具有优越的适用性，因此成为桥梁工程中应用最广泛的桥型。20世纪90年代是建设大跨径桥梁的高峰期，当前我国已建和正在建设的跨径超过200米的连续刚构桥有20多座，跨径在100-200米的预应力混凝土桥梁有100多座。大跨径预应力混凝土桥梁在我国交通运输中发挥着非常重要的作用。然而很多桥梁在施工过程或是使用阶段，出现混凝土开裂产生裂缝现象，有的甚至非常严重，这对桥梁的安全性、耐久性构成威胁。下文将对大跨径预应力混凝土箱梁桥产生的裂缝进行分析论述。

（一） 预应力混凝土箱桥梁的裂缝

伴随着大跨径混凝土箱梁桥的大量修建，近年来桥梁裂缝现象严重，严重影响着这一桥型的继续发展。如建成于1997年的某桥梁，主桥为140米+240米+140米的三向预应力混凝土连续钢构，2006年该桥梁的腹板出现多条裂缝，而且每年都在增加。

预应力混凝土箱形梁是典型的空间薄壁结构，具有薄壁效应。箱梁桥的薄壁效应是指箱梁截面的扭转和畸变对纵向受力的影响。在任意负载作用下，箱梁的整体变形将包括纵向弯曲、刚性扭转、畸变和横向挠曲四种基本的变形形态。近年来，预应力混凝土箱梁桥腹板、底板经常出现裂缝。

大量研究结果发现：大跨径预应力混凝土箱梁桥结构裂缝产生的位置和形式呈现出一定的规律，裂缝分为顶底板横向裂缝、顶底板纵向裂缝、腹板斜裂缝、顶底板斜裂缝及其他裂缝。而这些裂缝基本分为两类：横（纵）向裂缝和斜裂缝，其中横（纵）向裂缝由于拉应力超过混凝土抗拉强度而引起的，斜裂缝是由于主拉应力超过混凝土抗拉强度而引起的。如下表所示：

表1 大跨径预应力混凝土箱桥梁常见裂缝及其产生的原因

裂缝形态 底板横向裂缝 产生的原因 在跨中截面的正弯矩引起的纵向拉应力过大 顶板横向裂缝 顶板纵向裂缝 底板纵向裂缝 在连续梁墩顶截面的负弯矩引起的纵向拉应力过大 在活载作用下顶部横向拉应力过大，横向预应力配置不足 在变截面箱梁中，底板曲线预应力产生的径向力、底板自重在底板产生横向拉应力过大 腹板斜裂缝 在支座附近弯剪扭作用下由纵向正应力、竖向正应力和剪应力产生的主拉应力过大 顶底板斜裂缝 在L/4-3L/4区域弯剪扭作用下由纵向正应力、竖向正应力和剪应力产生的主拉应力过大

（二）预应力混凝土箱梁桥的分析方法

结构分析是工程结构设计过程中必不可少的环节，起承上启下的作用，其具体内容为，根据结构承受的各种作用分析结构体系中各个构件的受力情况，这是构件设计的基本依据，并落实到连接构造措施。结构分析的核心内容是根据结构的承载受力特点、确定科学合理的计算简图，或称计算模型。

1.6 自由度单梁模型

6 自由度单梁模型是桥梁结构最常用的计算方法。该模型的主要思路是视箱梁为6 自由度梁单元，即每个节点考虑3 个方向的线位移自由度与3 个方向的角位移自由度，截面特性按全截面尺寸考虑。

6 自由度单梁模型无法直接考虑箱梁桥的空间特性，需要借助相关的简化系数进行空间效应近似计算。这些简化系数包括：

（1）有效分布宽度

采用有效分布宽度计入剪力滞效应的影响，将复杂截面简化为简单截面，以一个包络值来考虑正应力的不同，这样就可以进行顶板底板的纵向应力验算。但该简化存在的问题是箱梁桥普遍存在施工过程和体系转换，在各个施工阶段，有效分布宽度是有所差异的；其次，采用有效分布宽度意味着丢掉了顶板和底板面内的水平剪应力，这直接导致了顶板和底板面内主应力验算项的缺失，也造成了箱梁的顶板或底板在面内出现斜裂缝时发生无法判断、无从着手的情况。

有效分布宽度将工字型截面的纯弯构件为依据，本身局限了它的适用范围，如箱梁桥截面存在轴力时（如预应力、拉索等引起）。

（2）偏载放大系数

6 自由度单梁模型可以计算偏心荷载下的扭矩，并采用薄壁效应算法计算箱

梁截面的扭转剪力流。但是这种方法无法分离自由扭转和约束扭转，无法准确计算薄壁箱梁截面的自由扭转剪应力、约束扭转剪应力和约束扭转翘曲正应力，一般采用偏载放大系数进行估算。在设计实践中，混凝土箱梁桥一般对活载弯矩放大15％、对活载剪力放大5％。目前混凝土箱梁桥桥宽一般在8m~16m，设计行车道数目一般为3～4 个，对某些箱梁桥采用这一经验系数已经明显偏小。

2. 7 自由度单梁模型

7 自由度梁单元是在6 自由度梁单元基础上，增加截面上的约束扭转双力矩作为第七个自由度，便可以计算箱梁截面的约束扭转效应，包括约束扭转翘曲正应力和约束扭转剪应力。七自由度梁单元的本质是将扭转效应分离成自由扭转和约束扭转。这种分析方法仍采用平截面假定，需借助相关的简化系数考虑剪力滞效应和腹板受力分配效应。这种分析方法能够完整的分析箱梁截面的顶板、底板和腹板的剪力流，适合于薄壁效应较大，但剪力滞效应和腹板间受力差异较小的箱梁桥，特别是弯箱梁桥的整体分析。

（三）预应力混凝土产生裂缝的原因分析

本文主要是从设计角度对出现的裂缝进行原因分析： 1.箱梁活载计算采用5%放大系数的处理方法

目前在应用平面杆系计算程序计算预应力混凝土箱梁桥时,一般认为偏载引起的剪应力(包括自由扭转剪应力、约束扭转剪应力和畸变剪应力) 为相应弯曲剪应力的5%左右。因此，在计算中活载剪应力考虑5%的放大系数。这是由于平面杆系计算程序一般无法计算箱梁扭转效应，从而采用的近似处理方法。但是,随着预应力混凝土箱梁桥跨径的增大，桥面越来越宽,使得横向偏载相对增大。因此，箱梁活载计算时仍采用5 %放大系数的近似处理方法值得商榷。另外，箱梁底板应力状况值得关注。底板在平面内一般采用构造配筋，通常比较薄弱，而国内外对此的分析计算和配筋设计方法也均较为薄弱。再加上该区域是底板预应力筋集中锚固的地方，容易出现开裂现象，因此设计时对此要特别关注。

2.采用平面结构进行整体分析

预应力混凝土箱梁桥在对称纵向荷载作用下，箱梁截面将产生翘曲位移，并且顶底板横向不同位置产生纵向位移差。由于上下翼缘的剪切变形导致对称荷载弯曲引起的法向应力呈非均匀分布状态，即剪力滞后现象。而目前预应力混凝土箱梁桥仍然采用平面结构进行整体分析，不能体现剪力滞效应对箱梁挠度的影响。

3.箱梁底板钢筋配置不足

箱梁底板若由于钢筋配置不足等原因使得底板主拉应力过大,进而发生剪切开裂,从而部分退出工作后,箱梁就将以接近开口断面继续工作。其一,底板开裂会引起腹板应力增加,从而导致腹板斜裂缝的产生,就会降低箱梁腹板的抗剪度,剪切变形对挠度的影响增大；其二,底板开裂除本身引起几何变形造成跨中下挠外,也会使得结构变软,由于结构后期仍有少量徐变效应,同时由于活载、温度等外部荷载作用,结构将出现新的裂缝,新的裂缝导致结构变得更柔,挠度持续增加。

（四）小结

综上所述，现阶段，我国预应力混凝土箱梁桥常常出现裂缝，威胁桥梁工程的安全性和耐久性，因此相关单位部门要对产生的主要裂缝进行分析研究，希望减少或是避免裂缝的出现，从而提高桥梁工程的安全性和耐久性。

参考文献：

[1] 包立新、杨广来、杨文军：《对连续刚构桥底板开裂问题的探讨》[J],《公路》,2004年第8期。

[2] 张喜刚：《大跨径预应力混凝土梁式桥设计施工技术指南》，北京：人民交通出版社，2012版。