大跨径预应力连续箱梁桥裂缝成因分析

摘要：本文以某运河上的一座大跨径连续箱梁桥出现的裂缝为例，分析了其裂缝出现的原因，最后经验算研究得出该桥主要是超限荷载的作用，直接导致的了受力裂缝的出现，通过本文的研究方法，可借鉴到有相似裂缝病害的桥梁分析中去。

关键词：大跨径连续箱梁；裂缝；超载；验算分析

1.引言

随着高强混凝土、高强钢筋等技术的发展与日益成熟，大跨径预应力混凝土连续箱梁桥在短短几十年内得到了迅速的发展。我国已先后建成了一大批具有世界水准的大跨径桥梁。已建成的这些桥梁基本上都是按全预应力混凝土构件进行设计，按正常使用极限状态下都不应出现梁体裂缝，但是已建成预应力混凝土连续箱梁桥上的开裂情况却非常普遍。因此，对预应力混凝土连续箱梁桥出现的裂缝进行分析研究，具有十分重要的现实意义。本文即以某运河上的一座桥梁为背景，对该桥的现运营荷载进行了调查，依此来分析超限荷载对桥梁出现的受力裂缝的影响。

2.桥梁概况及裂缝病害简介

该桥为南北向且上下行分离的双幅桥，每幅桥为三车道，上部结构采用（60+110+60）m变截面预应力混凝土的连续箱梁，箱梁采用单箱单室，纵、横、竖三向预应力体系，桥宽12.75m，箱梁根部梁高5.8m，跨中梁高2.5m，箱梁顶板宽12.75m，底板宽6m，翼缘板悬臂长为3.375m。箱梁高度从距墩中心1.8m处到跨中合拢段中心按1.8次抛物线变化。箱梁0号块长度为6.8m，箱梁顶板厚度为0.28m，底板厚度从0.30m至0.8m按1.8次抛物线变化，腹板厚度根部为0.8m、跨中处为0.5m。

该桥在运营过程中，主桥中跨13号、14号、13@号块段底板发现横向裂缝，中跨10号块、10@号块腹板出现两条与水平线呈45 ?的腹板裂缝（如图1所示），经现场勘察，判定为受力裂缝，为分析箱梁开裂原因，并结合本桥所处的较大的交通量，需对桥梁结构在设计荷载作用下进行复核，并判断现状运营荷载作用下桥梁结构是否满足04规范的抗裂要求。

图1 腹板斜裂缝示意图

3.该桥设计荷载与运营荷载下复核验算

该桥在设计荷载作用下，经验算能满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）的抗裂要求，从而可得出，若该桥的交通量在设计荷载作用下，出现受力裂缝的可能性不大；经现场勘察发现该桥北侧向南侧方向有大量混凝土罐车、散装水泥粉体罐车、运输砂、石的六轴车经过此桥，故在桥北侧设测量站，进行车辆荷载调查，并结合动态称重（WIM）系统，进行超重车辆的称重来评估该桥的现状运营荷载，根据荷载评估结果对桥梁结构在现运营荷载作用下进行验算，以下分析主要结合现运营荷载作用，进行抗裂验算。

3.1 现状运营车辆荷载的调查

调查时间5月26全天，选取两幅桥的北侧桥头路段为观测点，共两个观测点，其中一个观测点，记录由北向南方向的上桥车辆，另一观测点记录由南向北方向的下桥车辆，此次观测主要记录以下车型：小汽车、大客车、双轴卡车、三轴卡车、四轴卡车、五轴拖挂车、六轴拖挂车，沙石车所占比例较大，另外罐车所占比例也较大，这部分罐车主要以运输商品混凝土、水泥、粉煤灰为主。其中在18：37以后，大量超限沙石车开始出动，在19：42开始有一列5辆的运输碎石的车队过桥，每一辆车均为六车轴半挂车，可以看出这样超重车队通过，对桥梁有很大的安全危险性。

3.2 运营荷载的选取

本次验算考虑通过桥梁的最不利汽车运输车队排列作为验算车辆荷载，取19：42时通过的运输碎石车队进行验算，车队由5辆六轴车组成，经动态称重系统（WIM）称得本车队每辆车的车重约在138t～143t之间，故本次验算选取车重为140t。这些车辆超重严重，通过桥梁时车速较慢，根据汽车密集运行状态统计，车辆间距取为10米，并沿着外车道行驶。另据观察内车道和中车道车速稍快，行驶车辆为小汽车和没有超重的正常运货卡车，计算荷载可采用公路-Ⅰ级荷载，并参考西部交通建设科技项目《我国公路桥梁设计汽车荷载模型与技术参数研究》（XBKYZT-03）的成果进行车道折减，各车道的荷载折减系数为内侧车道0.2，中间车道0.45，外侧车道1.0。考虑到该桥的裂缝分布，只验算跨中附近区域（即模型的39号单元～50号单元）。

3.3运营荷载作用下正截面抗裂验算

正截面抗裂验算按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004） 6.3.1-2规定进行计算。

使用阶段箱梁跨中部分正截面抗裂验算结果如图2所示，由该图可知在运营荷载作用下，41号单元～48号单元（即对应跨中附近的±8m范围内）的截面下缘出现了拉应力，已不能满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）中的6.3.1-2对全预应力构件的正截面抗裂验算的规定。

图2运营荷载下正截面抗裂验算

3.4 运营荷载作用下斜截面抗裂验算

斜截面抗裂对构件斜截面混凝土的主拉应力 进行验算，斜截面抗裂验算结果由图8给出，由该图可知39号单元j段、40号单元i端、49单元j端、50单元i端的主拉应力值 超过了规范规定的1.06Mpa，不能满足《公路钢筋混凝土及预应力桥涵设计规范》（JTG D62-2004）对斜截面抗裂验算的要求。经核查各截面的最大拉应力出现在图3中的第7号应力点处，图4给出了各单元截面第7号点拉应力分布图。

其中5 、6；9、10为腹板厚度变化处；7、8为截面中心轴处

图3 十个主拉应力点位置图

图4运营荷载下斜截面截面抗裂验算

图5 39单元～50单元梁截面的第7号应力点处的主拉应力图

图6主桥在运营荷载下的扭矩包络图

因为7号应力点处为腹板变窄处，且运营荷载下扭矩（图6）要大于跨中其他部分（单元41～单元48），故扭矩会在箱梁腹板内产生相对较大的扭转剪应力值 ，主拉应力公式计算公式：

，

―在荷载组合下，产生的扭矩；

―计算闭合箱梁扭转剪应力时的系数。

由图4、图5并结合上式可知，39号单元j段、40号单元i端、49单元j端、50单元i端主应力超过了限值1.06Mpa，且主拉应力超限值出现在超重车道侧的腹板处，这与该桥10号块、10@号块箱梁外侧腹板产生的斜裂缝正好吻合。

3.5设计荷载下及运营荷载下验算结论

根据上述设计荷载及运营荷载作用下验算的结果，可以看出，在设计的公路-Ⅰ级荷载作用下，主桥中跨跨中附近，能满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）关于使用阶段的抗裂验算。在运营荷载作用下，主桥中跨跨中附近，正截面抗裂验算与斜截面抗裂验算均不能满足规范的规定，因此可以得出结论，该桥出现的跨中底板裂缝及腹板裂缝是由超重荷载直接导致的。

4.该桥裂缝的成因及针对该桥的处理措施

从以上分析可知，该桥的受力裂缝的具体成因主要是有超重车辆引起的，针对此情况建议采取下列措施进行处理。

①对该桥所在道路加强治理超限（重）管理，可在该桥头建立治超站或动态称重（WIM）系统，对通行车辆重量进行称重判断，用电子指示牌引导判定超重的车辆绕行，避免超重车辆通过桥梁造成损伤。保证所在道路通行车辆总重和轴重在《超限运输车辆行驶公路管理规定》限定的合法范围，严禁超限车辆从该桥通行，以遏制该桥病害的进一步发展，保证桥梁的运营安全。

②针对该桥出现的受力裂缝问题，建议及时采取针对性措施进行加固，可以利用该桥的预留的备用孔道增设预应力束进行补张，对箱梁出现的受力裂缝用环氧树胶进行灌浆封闭处理，然后采取粘贴钢板或碳纤维布方法对主桥中跨跨中进行加固，并在加固一定时间后，进行跟踪观测。

参考文献：

[1] JTG D62-2004公路桥涵设计通用规范 （JTG D60-2004）

[2]公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 （JTG D62-2004）

[3] 袁铜森 预应力混凝土连续箱梁裂缝分析与维修加固. [湖南大学硕士论文]，2006，448.213

[4] 范立础.桥梁工程（上）.北京：人民交通出版社，2001.

[5] 我国公路桥梁设计汽车荷载模型与技术参数研究（XBKYZT-03）