预应力混凝土连续刚构桥底板崩裂成因及处理方案研究

摘要：对连续刚构桥中跨底板混凝土在纵向预应力束引起的径向力作用下可能崩裂的现象进行了分析，分析了崩裂的原因，阐述了径向力、箍筋应力的计算过程及径向力纵桥向分布情况；提出了避免这种崩裂的一些措施。结合工程实例探讨了对已压浆情况下崩裂问题的处理方案。本文中的分析处理方法适用与其它空间配束的桥型。

关键词：预应力连续刚构桥；底板崩裂；径向力纵桥向分布；箍筋应力

一、问题的提出

随着国家基础设施建设的快速发展，变截面预应力混凝土连续刚构桥以其结构刚度大、行车平顺性好、伸缩缝少和养护简单等特点，已成为公路建设中最主要的桥型之一[1]。但随着预应力连续刚构桥的大量涌现，特别是大跨度预应力连续刚构桥的大量修建，亦暴露了一些问题。其中以跨中挠度越来越大及混凝土结构开裂问题较为突出，引起工程界的怀疑并导致对预应力连续刚构桥应用的不放心，进而影响其在公路工程建设中的进一步推广。在90年代以后，为了克服主梁在运营期间跨中挠度越来越大，在设计中都增加了中跨底板预应力束数量，但是由于对跨中底板预应力束的作用效应认识不足，引发了一些工程问题，其中出现问题较多的是底板在预应力束张拉过程中出现裂缝或崩裂。某60.5m+110m+60.6m的单箱单室的预应力混凝土连续刚构桥，在中跨底板预应力钢束张拉后，发现跨中附近箱梁底板出现了平行于底板预应力束的长约4米纵向裂缝，预应力束下移。预应力束以下的普通钢筋混凝土与上层混凝土分离，纵向裂缝最大宽度3mm。

本文针对上述连续刚构桥底板纵向裂缝和底板混凝土向下崩裂的原因进行分析，并以一工程实例探讨在预应力束压浆后的处理方案，为工程技术人员提供一定的参考。

二、底板崩裂成因

结合一些连续刚构桥在修建过程中底板崩裂的问题，分别从设计和施工两方面分析原因。

1、设计方面原因

（1）连续刚构桥在设计时一般采用平面杆系有限元程序（如桥梁博士、GQJS、）进行计算，不能准确反映箱梁、中跨底板预应力束空间分布的效应；尤其底板的宽度较宽时，不能计入剪力滞和纵向预应力钢束分布不均效应，导致截面应力的理论值与实际值有较大出入，不能对底板裂纹的出现从理论上预警 。

（2）对底板预应力束引起的径向力估计不足，主要表现在以下方面：

①在通常的设计中，忽略底板预应力束引起的径向力的计算；

②在设计中，底板预应力束通常为平顺的曲线，而在实际的施工过程中每个节段预应力束通过多段直线段来模拟曲线，在直线段的交点处导致应力集中；

③对底板预应力束的定位钢筋不够重视，有的设置较少，有的连接不牢固，容易脱落。

（3）对底板横桥向应力重视不够，有的可能没有进行局部受力分析，不能给底板上下层横向钢筋的设计提供理论指导。

（4）底板箍筋或勾筋等防崩钢筋直径偏小，数量偏少，且有的设计连接在底板上下层纵向钢筋上，没有与底板上下层纵横钢筋的交点处连接牢固，容易忽视底板防崩钢筋的应力计算，不能给防崩钢筋设计提供理论依据。

（5）底板预应力束过多，预应力偏大，是引起底板崩裂的主要原因之一 。

2、施工方面原因

（1）由于底板预应力束主要分布在腹板附近，分布密集，容易与防崩钢筋冲突，导致少放甚至不放防崩钢筋。

（2）波纹管定位与设计有较大出入，出现折角点，引起应力集中。

（3）施工单位为了赶工期，未按照设计要求分批张拉底板预应力束，而是一次性张拉。

三、纵向预应力束引起的径向力、径向力纵桥向分布及箍筋应力简易计算公式

假设底板预应力束在竖直面内的曲线方程为[2]( 为常数)，其曲线及坐标系详图参见图－1，图中原点0为中跨跨中底板预应力束中点。因为通常预应力束各点的曲率半径不同，则在各点产生的径向力（用、…表示各点的径向力）不同，其原因参见下述推导过程。为预应力束的张拉力。取某一微梁段为分析对象[2],如图－2所示。

图1 预应力束径向力简图图2 微段预应力束径向力分析

由方向合力得，，积分得,即，其中为曲线的曲率半径，，则

，下面着重推导预应力束引起的径向力纵桥向分布情况。

由径向力得，

根据的表达式，可知：

（1）当。根据函数的单调性定律，可知在张拉力一定的情况下，径向力随的增加而减小，即径向力在跨中最大。

（2）当的符号随的取值变化：

①时，，可知在张拉力T一定的情况下，径向力随的增加而增加；

②时，，可知在张拉力T一定的情况下，径向力随的增加而减小。

取一束预应力束的张拉力=2734.2KN，假设曲线，其中＝2553840，改变曲线次数，得到各次曲线下径向力纵桥向分布情况，参见图－3。

图3 预应力束径向力纵桥向分布

从图－3可以看出，当曲线次数时，径向力随距离的增加而减小，在跨中位置受力最不利；当曲线次数时，径向力随距离的增加先增加后减小，此时受力最不利位置不在跨中；当距跨中的距离相等时，径向力随曲线次数的增加而绝大多数增大，只在跨中附近位置变化形式恰好相反；在设计连续刚构桥时可以根据径向力的分布情况采取恰当的措施。

关于径向力的抵抗力的计算，可以偏安全的考虑只有底板防崩钢筋来承受，计算简图参见图－2，因为，即，其中为计算梁段的纵桥向长度，为计算梁段范围内由径向力影响的防崩钢筋面积。

四、防止底板崩裂的主要预防措施

（1）在设计时，应建立实体模型进行校核，着重查看各点的应力值。

（2）底板防崩钢筋的直径不应过小，建议采用直径d＝14cm或更大直径的HRB335钢筋，并且在波纹管密集区，不能随意改变防崩钢筋位置和数量，确保防崩钢筋在底板上下层纵横钢筋的交点连接牢固。

（3）在径向力最大位置处，可增设横隔板或箱内横梁，以承担底板防崩钢筋部分的应力。

（4）当径向力确实影响很大时，可以考虑在底板增设横向预应力钢筋。

（5）预应力钢束最好布置在腹板附近，可以利用腹板强大的箍筋承担部分应力。

（7）确保波纹管定位准确，加强波纹管的定位钢筋，且定位牢固，严禁波纹管出现折点，防止径向力集中，加大底板崩裂风险。

（8）对底板预应力钢束应采用分批张拉、压浆，当水泥浆达到一定强度时，再张拉下一批，并压浆，直至所有预应力钢束张拉完。

五、工程实例及其处理方案

1、底板崩裂简述

某连续刚构桥主跨为110 m,箱梁底板曲线方程为,悬臂分12节段浇筑,其中6～11号梁段底板施加预应力,每束预应力束的锚固力为2734.2kN。底板设置15 cm×30 cm的单肢勾筋,箍筋规格为直径为12cm的HRB级钢筋。箱梁底板跨中处厚30 cm，箱梁底板宽7 m，跨中设有横隔板。当全部底板预应力钢束张拉、压浆完毕后，发现9号节段底板有纵桥向裂纹，经敲打，一定范围内的砼剥落，发现波纹管下移，横纵向钢筋下弯变形，经测量其裂缝的长度3.3m，底板砼横向剥落的宽度为1.1m，最大深度为10cm。如图－4所示。

图4崩裂位置示意图

2、成因分析

经过计算跨中底板勾筋应力为92Mpa，9号节段底板勾筋应力为27Mpa，都小于勾筋抗拉强度设计值，从计算来看结构应该是安全的。在打开此处底板时发现，此处波纹管与勾筋位置冲突，在施工过程中只设置了少量单肢勾筋，且都没有与底板上下层纵横钢筋的交点连接，只勾在底板上下层纵向钢筋上。导致不足以抵抗此处的径向力。

3、处理方案

这个实例与其它实例相比最大不同点是，发现裂纹时波纹管已经压浆。不能采取常规的放张后修复的方法。经过专家会的仔细论证，提出了以下处理方案：

（1）引起底板混凝土开裂主要有D8、D10、D12三根预应力束，这几束由于底板混凝土开裂剥落，混凝土对其反力已减小，为避免该段混凝土在凿开后增加其它节段的压力，因此在操作前，将9号节段的此三束预应力施加一定向上的拉力， 再凿除开裂部位的混凝土。

（2）孔凿好后，对预应力束施加一定拉力，将其径向力由其它临时结构承担，共有两个上提力，经过计算每处的上提力为45.6KN。

（3）施加拉力完毕后，采用风稿将其余部分的砼凿掉，开孔的宽度为60cm，长度为330cm。

（4）当底板凿开后，将预应力束恢复到原设计位置，然后增加底板上下层之间的勾筋，间距为15 cm×15cm，勾筋与底板上下层纵横钢筋的交点连接牢固，同时在波纹管的下方每隔30cm设置一 道“U”形箍筋，以加强预应力束定位。

（5）浇筑C60膨胀混凝土（其混凝土标号较原主梁混凝土高一个等级）。

（6）经过养生，当混凝土强度达到设计强度的90％且龄期不小于4天，去除预应力束的拉力。

经过上述处理后，该处底板已恢复成为原设计情况，在去除上提力后，底板未出现裂纹，且已达到荷载试验要求。

六、结论

1、在连续刚构桥的设计中应建立实体模型来对平面杆系模型的计算进行复核，必要时建立局部模型分析局部受力，不要忽略底板防崩钢筋的应力计算。

2、底板变化曲线应宜采用低于2次的抛物线，以减小径向力，不宜采用底板变化曲线高于2次的抛物线。

3、径向力在通常情况下跨中最大，因而在跨中需加强防崩钢筋的设计。

4、在跨中可以考虑增设横隔板，以增强局部刚度。

5、当径向力较大时，可在底板增设横向预应力钢筋；

6、波纹管应不要偏离设计位置，以免径向力集中。

7、本文中的分析处理方法适用与其它空间配预应力束的桥型。