铁路预应力混凝土箱梁裂缝成因及对策研究

摘 要：预应力混凝土箱梁有害裂缝的存在，会威胁到结构安全，降低结构的使用寿命，严重影响结构物的耐久性。文中分析了裂缝分类及产生原因，并阐述裂缝防治措施。

关键词：预应力混凝土箱梁；裂缝；成因；对策

Abstract: Harmful cracks in prestressed concrete box girder, would threaten the safety of the structure, reduce the service life of the structure, and seriously affect the durability of the structure. This paper analyzes the causes of cracks and the classification, and the crack control measures.

Key words: prestressed concrete box beam; crack; cause; countermeasure

中图分类号：U416.216+.1

一般情况下，混凝土结构均是带裂缝工作，但若裂缝超过限值，不仅会影响工程的外观质量，还会降低抗渗和抗冻能力，并会导致钢筋锈蚀，影响结构物的耐久性。特别对于铁路桥梁，活荷载较大，裂缝对结构安全的影响更大，因此，研究混凝土箱梁裂缝类别、成因及对策，是十分必要的。

预应力混凝土箱梁裂缝现象

预应力筋锚固处的裂缝

通常发生在梁端或预应力筋锚固处，裂缝比较短小。发生在梁端时多与钢丝束方向一致，在锚固处时与梁纵轴多呈30°~ 45°角。在运营初期有所发展，但不严重，以后会趋于稳定。这种裂缝主要由于端部应力集中，混凝土质量不良所致。

腹板收缩裂缝

大多在脱模后2~3天内发生，裂缝通常从上梁肋到下梁肋，整个腹板裂通，宽度一般为0.2~0.4mm，施加预应力后大多会闭合。这种裂缝多为混凝土收缩和温差所致，如极低的外界温度，混凝土未保温养生等，使应力分布不均。

悬臂梁剪切裂缝

剪切裂缝出现在腹板上，看起来近似按45°角倾斜，一般出现在支点与反弯点之间的区域。剪切裂缝产生的主要原因是：预应力不足；超载的永久荷载；二次应力；温度作用等；此外，设计中缺乏对多室箱梁腹板内剪力分布的认识，设计时未考虑横截面的实际变形，没有重复检算力筋截断处的左右截面受力情况等，也可导致此类裂缝的出现。

悬浇箱梁锚固后接缝中的裂缝

悬浇箱梁在连续力筋锚固齿板后面的底板内会产生裂缝，并有可能向着腹板扩展，裂缝与梁纵轴呈30°~45°角。产生这种裂缝的原因是由于预应力筋作用面积小，产生的局部应力过大，或者由于顶底板中力筋锚具之间水平方向错开的距离太小等。

底板裂缝

箱梁底板上发生不规则裂缝，是由于腹部与底板受力不均所致。

箱梁弯曲裂缝

混凝土抗拉能力不足，会导致箱梁弯曲裂缝的产生。在节段浇筑箱梁中，一般出现在接缝内或接缝附近，梁底裂缝可达0.1~0.2mm。弯曲裂缝一般很小，结构不受损伤，但在荷载反复作用下（汽车动力荷载及温度梯度）裂缝有可能会扩大。

连续梁弯曲裂缝

在连续梁中，正弯矩区的梁底部和负弯矩区的顶部可能发现这种裂缝。弯曲裂缝主要是由于混凝土抗拉能力不足引起的。

预应力梁下翼缘的纵向裂缝

这种裂缝为预应力梁中最严重的一种裂缝，多发生在梁端第一、二节间的下缘侧面及梁底，或腹板与下翼缘交界处，少数发生在腹板上。这种裂缝一般处于最外的一排钢丝束部位，宽度为0.05~0.1mm.。产生原因是由于下翼缘受到过高的纵向压力，保护层太薄或混凝土质量不好所致。

裂缝分类

预应力混凝土箱梁裂缝大致可分为两类[1]，一类是由外荷载引起的裂缝，也称结构性裂缝或受力裂缝，表示结构承载力可能不足或存在严重问题，对设计荷载进行全面考虑可以防止裂缝的产生；另一类裂缝是由变形引起的，也称非结构性裂缝，指变形得不到满足，在构件内部产生自应力，当该自应力超过混凝土允许应力时，引起混凝土开裂。

混凝土裂缝形成的原因非常复杂，往往是多种不利因素综合作用的结果。据有关统计，施工不规范造成的混凝土裂缝占80%左右，材料质量差或配合比不合理产生的裂缝占15%左右，设计不当引起的裂缝可能占5%。

结构性裂缝成因

结构性裂缝可分为直接应力裂缝、次应力裂缝两种。

直接应力裂缝

直接应力裂缝是指外荷载引起的直接应力产生的裂缝。裂缝产生的原因有：

（1）设计阶段：计算模型不合理，结构受力假设与实际受力不符；荷载少算或漏算；内力与配筋计算错误；结构安全系数不够；结构计算漏项；设计断面不足；钢筋设置偏少或布置错误；结构刚度不足；构造处理不当；结构设计时未考虑施工的可能性；设计图纸交代不清等。

（2）施工阶段：不加限制地堆放施工机具、材料；不了解预制结构结构受力特点，随意翻身、起吊、运输、安装；不按设计图纸施工，擅自更改结构施工顺序，改变结构受力模式；不对结构做机器振动下的疲劳强度验算等。

（3）使用阶段：超出设计载荷的重型车辆过桥；受车辆、船舶的接触、撞击；发生大风、大雪、地震、爆炸等。

直接应力裂缝力学原理分析

混凝土箱梁腹板的主拉应力公式为（拉应力为负）：

式中，σzl为箱梁腹板的主拉应力，σhx为箱梁腹板轴向的正应力，σhy为箱梁腹板竖向的正应力，τ为箱梁腹板剪应力。

按照经典梁理论（平截面假定），箱梁腹板的σhy=0，中性轴附近剪应力最大，由上式可知，在腹板的中性轴主拉应力最大，如主拉应力超过混凝土的极限抗拉强度，则腹板会产生斜裂缝。对于现代大跨度混凝土箱梁桥，特别是横隔板较少的箱形梁在荷载作用下箱梁的变形并不完全符合经典梁理论平截面假定，定会出现截面畸变变形[2]。计算表明，大跨度混凝土箱梁腹板的竖向正向应力与腹板的轴向应力在同一个数量级。按照上式，计入腹板竖向正应力的影响，很明显在腹板的上缘、下缘的主拉应力容易超过有关设计规范的规定，由于板上下缘处的剪应力为0，主拉应力的方向与腹板竖向方向基本相同，所以一般在上缘产生水平裂缝。腹板竖向正应力作用同样使得在中性轴附近的主拉应力易超过规范的规定而产生斜裂缝。一般情况下有关设计院很难对箱梁畸变变形进行分析，这是导致箱梁腹板开裂的主要原因之一[3]。

箱梁顶板、底板的裂缝是由于箱梁畸变和横向弯曲产生的附加就应力导致的，按照上式计算箱梁顶的主应力，必须考虑顶板、底板的横向的正应力。由于在箱梁的顶板和底板的剪应力相对较小，所以主应力的方向大致与箱梁的顶板、底板的横向方向基本相同，那么产生的裂缝方向大致与桥轴方向平行。

次应力裂缝

次应力裂缝指由外荷载引起的次生应力产生裂缝。裂缝产生的原因有：

（1）在设计外荷载作用下，由于结构物的实际工作状态同常规计算有出入或计算不考虑，从而在某些部位引起次应力导致结构开裂。

（2）桥梁结构中经常需要凿槽、开洞、设置牛腿等，在常规计算中难以用准确的图式进行模拟计算，一般根据经验设置受力钢筋。研究表明，受力构件挖孔后，力流将产生绕射现象，在孔洞附近密集，产生巨大的应力集中。

实际工程中，次应力裂缝是产生荷载裂缝的最常见原因。次应力裂缝多属张拉、劈裂、剪切性质。次应力裂缝也是由荷载引起，一般不计算仅按常规构造，但随着现代计算手段的不断完善，次应力裂缝也是可以做到合理验算的。

非结构性裂缝成因

除荷载作用外，还很多非荷载因素[4]，如混凝土收缩、温度变化、基础不均匀沉降、塑性坍塌、冰冻、钢筋锈蚀以及碱-骨料化学反应等，均可引起裂缝。

材料原因

（1）粗细集料含泥量过大，造成混凝土收缩增大，易导致裂缝的产生；

（2）骨料粒径越细、针片含量越大，混凝土单方用灰量、用水量越多，收缩量越大；

（3）混凝土外加剂、掺和料选择不当、或掺量不当，严重增加混凝土收缩；

（4）水泥品种原因：矿渣硅酸盐水泥收缩比普通硅酸盐水泥收缩大、粉煤灰及矾土水泥收缩值较小、快硬水泥收缩大；

（5）水泥等级及混凝土强度等级原因：水泥等级越高、细度越细、早强越高对混凝土开裂影响越大；混凝土强度等级越高，混凝土脆性越大、越易开裂。

施工原因

（1）混凝土生产时原材料计量误差大，尤其外加剂的掺加随意性大；没有根据砂、石料的实际含水率及时调整施工用水量，造成混凝土水灰比增大。此外，在混凝土运输及泵送过程中加水的现象也比较普遍；

（2）采用整体式钢模板台车施工，混凝土浇筑时不振捣或漏振，混凝土均质性差；

（3）盲目追求施工进度，随意提前脱模时间，混凝土弹性模量尚未达到设计值便过早承受荷载；

（4）夏季施工时砂、石料露天堆放，无切实有效的降温措施，混凝土入模温度高；冬季施工时采取的防寒保温措施不力。

使用原因

（1）基础不均匀沉降，造成沉降裂缝；

（2）桥梁所处环境恶劣，酸、碱、盐等化学物均可引起裂缝。

防治措施

结构性裂缝防治方法

（1）设计时各截面的箍筋不能仅按构造配筋，必须按腹板竖向拉应力大小进行配筋，其配筋形式应采用小直径和密集的箍筋，箍筋的保护层厚度按规范宜取下限。在采用小直径和密集箍筋配筋后如能满足要求，则完全可以取消腹板的竖向预应力配筋[5]。

（2）对于轻而薄、跨间少设或不设横隔梁的箱梁，应进行能反映箱梁畸变（或称歪扭）及横向弯曲应力的空间分析，验算施工及成桥使用阶段腹板的正截面拉应力及控制截面的主拉应力不超过规范值。

（3）由于箱梁活载的横向分布引起的扭转、畸变（或称歪扭）及横向弯曲引起造成各腹板承担的荷载分布有很大差别，横向荷载分配系数应充分考虑扭转、畸变（或称歪扭）及横向弯曲引起的增加的部分。

（4）适当合理增加构造钢筋布置，注意适当布置表面钢筋以增强混凝土防裂性能。

非结构性裂缝处理措施

5.2.1材料选择和混凝土配合比设计方面

（1）根据结构的要求选择合适的混凝土强度等级及水泥品种、等级，尽量避免采用早强高的水泥[6]。

（2）选用级配优良的砂、石原材料，含泥量应符合规范要求。

（3）积极采用掺合料和混凝土外加剂。掺合料和外加剂目标已作为混凝土的第五、六大组份，可以明显地起到降低水泥用量、降低水化热、改善混凝土的工作性能和降低混凝土成本的作用。

（4）正确掌握好混凝土补偿收缩技术的运用方法。对膨胀剂应充发考虑到不同品种、不同掺量所起到的不同膨胀效果。应通过大量的试验确定膨胀剂的最佳掺量。

（5）配合比设计人员应深入施工现场，依据施工现场的浇捣工艺、操作水平、构件截面等情况，合理选择好混凝土的设计坍落度，针对现场的砂、石原材料质量情况及时调整施工配合比，协助现场搞好构件的养护工作。

5.2.2现场操作方面

（1）浇捣工作：浇捣时，振捣捧要快插慢拔，根据不同的混凝土坍落度正确掌握振捣时间，避免过振或漏振，应提倡采用二次振捣、二次抹面技术，以排除泌水、混凝土内部的水分和气泡。

（2）混凝土养护：在混凝土裂缝的防治工作中，对新浇混凝土的早期养护工作尤为重要，以保证混凝土在早期尽可能少产生收缩，主要是控制好构件的湿润养护。对于大体积混凝土，有条件时宜采用蓄水或流水养护，养护时间为14~28天。

（3）混凝土的降温和保温工作：对于大体积混凝土，施工时应充分考虑水泥水化热问题。采取必要的降温措施（埋设散热孔、通水排热等），避免水化热高峰的集中出现、降低峰值。浇捣成型后，应采取必要的蓄水保温措施，表面覆盖薄膜、湿麻袋等进行养护，以防止由于混凝土内外温差过大而引起的温度裂缝。

（4）避免在雨中或大风中浇灌混凝土。

（5）夏季应注意混凝土的浇捣温度，采用低温人模、低温养护，必要时经试验可采用冰块，以降低混凝土原材料的温度。

结语

本文分析了预应力混凝土箱梁常见裂缝类型，裂缝的成因及预防裂缝产生的措施。根据笔者在太兴铁路及其他工程中预应力混凝土连续梁悬臂浇筑施工的实践表明，裂缝预防措施及处理措施是有效的，这些处理措施也应用到京沪高铁预应力混凝土连续梁悬臂浇筑施工中，希望能够对以后类似工程起到借鉴作用。

参考文献

[1] 项贻强，唐国斌.混凝土箱梁桥开裂机理及控制[M].北京：中国水利水电出版社，2010年：38-55.

[2] 吕建鸣，陈可.预应力混凝土箱梁腹板主应力分析[J].公路交通科技，2005（10）：51-55.

[3] 钟新谷.预应力混凝土连续箱梁桥裂缝防治与研究[J].工程力学，2004，（S1）：211-230.

[4] 张聪. 预应力混凝土连续箱梁裂缝成因分析及预防措施 [J]城市道桥与防洪，2010年第6期：182-184.

[5] 施颖，郑建群. 从设计层面探讨预应力砼连续箱梁桥裂缝控制 [J]. 重庆交通学院学报，2005， 24（4）：17-20.

[6] 周翰斌.预应力混凝土连续箱梁施工阶段腹板斜向裂缝探讨[J].施工技术，2007，36（3）：88-91.

Research On the Reasons and Treatments of the Fratures on the Prestressed Concrete Box Girder

FENG Wei-xin

China Railway Engineering Consulting Group Co.,Ltd Taiyuan Branch, Shanxi （自己补邮编）, Taiyuan, China

Abstract: The deleterious fratures on the prestressed concrete box girder can threaten the structure’s safety, decrease the structure’s life, and threaten the durability badly. In this article, the species and the caused reasons of the fratures are discussed in detail, and the treatments are also discussed.

Key words: prestressed concrete box girder; fratures; reasons; treatments

冯维欣（1980-4-28），男，河北省石家庄市人，工程师，2003年毕业于兰州交通大学，工学学士。