预应力混凝土箱梁施工裂缝原因分析及预防措施

摘要:混凝土结构的应用时十分广泛的，但同时混凝土裂缝也是难以解决的质量通病。预应力混凝土箱梁一旦出现裂缝将会会降低结构的承载力、耐久性和使用寿命，为此，本文对各种混凝土裂缝的产生原因进行了详细分析，并提出了相应的预防措施，可供同行参考。

关键词:预应力混凝土箱梁；混凝土裂缝；原因；温度应力；预防措施

中图分类号：TV543+.6 文献标识码：A文章编号：

随着新技术、新工艺的不断涌现，预应力混凝土箱梁技术也越来越多的应用到桥梁建设当中。但在运营过程中也出现了较多的工程病害，特别是混凝土裂缝问题。混凝土裂缝的出现不仅破坏了桥梁的美观而且严重影响桥梁的刚度分析，还可能影响到桥梁的正常使用，甚至会威胁桥梁寿命。引起裂缝的原因是多方面的，有施工方面的因素，也有设计方面的因素。因此，只有对混凝土出现裂缝的原因进行科学分析，才能采取最有效的预防措施。

1 裂缝的分类

(1)裂缝的形状与结构应力分布有直接关系，一般裂缝方向同主拉应力方向垂直或与剪应力平行。

(2)按成因简单的可分为两种，一种是由荷载直接作用(或由于结构次应力叠加作用)，混凝土所受的拉应力超过自身的极限拉应力而引起的裂缝，也称作荷载裂缝或结构性裂缝，还有一种是由于变形变化引起的裂缝，如结构由温度、收缩和膨胀、不均匀沉降等因素引起的裂缝，也称作变形裂缝，大多属于非结构性裂缝，这种裂缝的产生一般会有一个时间过程，不是瞬间产生的，有一个应力累积的过程。

2 混凝土收缩裂缝的原因分析及预防措施

(1)原因分析

此类裂缝是实际工程中最常见的，首先是在混凝土浇筑后的4～5h时，水泥的水化热反应最为激烈，出现泌水和水分急剧蒸发，混凝土失水收缩，同时骨料因自重下沉，在下沉过程中若受到钢筋阻挡便会形成沿钢筋方向的裂缝，特别是在箱梁的腹板与顶、底板交接处，形成顺腹板方向的裂缝。随着时间的延长，混凝土硬化以后，由于表层水分损失快于内部，因此会产生内外部的不均匀收缩，表面混凝土收缩变形时受到内部混凝土或保护层内钢筋的约束，致使表面混凝土承受拉力，当拉力超过其抗拉强度时便会产生裂缝。此类裂缝是由于混凝土自身收缩过程中产生的，与外荷载无关，如果不受其他外力的影响，一般裂缝不会再有大的变化。

(2)预防措施

为减少此类裂缝的产生，在混凝土配合比设计时就要加以预防，因为混凝土的收缩大小与水灰比、水泥细度、水泥用量等因素有关，水灰比越大，水泥细度越大，混凝土的收缩越大，且发生收缩的时间越长。因此在设计预应力混凝土箱梁的配合比时应遵循以下原则:①水灰比不宜过大，水泥用量不宜过多，规范中要求不宜超过500kg/m3，实际应预防在485kg/m3以内，为达到设计强度和使用性能，可以通过掺用外加剂和矿物掺合料或选用高强度等级的水泥等办法来实现。②选用大的骨料，并尽可能的多用骨料，这样可以降低混凝土的自身收缩，预防裂缝的产生。除此之外，在浇筑过程中还要加强振捣，特别是保证变截面处要分层下料，振捣密实。注意早期的混凝土养护，降低表面水分的蒸发率。

3 温度变化产生裂缝的原因分析及预防措施

温度变化引起的裂缝是预应力混凝土箱梁产生裂缝的主要原因之一，通过分析计算，温度变化在结构中产生的次应力有时可以达到活载量级，而且温度应力较难预防，因此要引起高度重视。

(1)原因分析

通常情况下，引起温度裂缝的原因主要有2种:一种是水泥的水化热，一般的说，对于20～30cm厚度的混凝土构件在浇筑后的48h时间内由于水化热可以升温20℃，而墩顶处的现浇箱梁横隔板和底板厚度都在50cm以上，结构升温更加显著，如果升温过程中构件受外界影响冷却过快(主要发生在夜间)，混凝土中由于温差引起的自平衡应力高于正在缓慢提高的混凝土抗拉强度，则会产生开裂，此类裂缝通常位于横隔板表面出现竖向裂缝及人孔角位置出现放射裂缝，或底板下缘存在纵向裂缝。另一种温度裂缝产生的原因是日照温差，日照温差导致结构的温度次应力是产生结构裂缝的主要因素。由于横向温度应力的最大主应力方向与梁长轴线垂直，故裂缝与桥轴线平行，呈水平向，另一处易出现裂缝的部位是日照横向温度应力的高拉应力区，位于箱梁顶板内壁和腹板上梗肋内壁。

(2)预防措施

首先是适当延长外模的拆模时间，顶板混凝土及时覆盖养生，目的是避免混凝土在水化热高峰期形成大的内外温差，避免混凝土表面直接受到阳光照射。另外可增加构造钢筋提高混凝土的抗裂性能，特别是薄壁箱梁结构，宜采用小直径钢筋(8～14mm)、小间距(10～15cm)。

4 局部应力产生裂缝的原因分析及预防措施

(1)原因分析

对于后张法预应力箱梁来说，预应力束是穿在构件的孔道中，预施应力在端部锚固，在锚固区域内的应力分布是较复杂的，属于三向受力状态。锚固端的巨大集中力通过端部区域逐渐转换成均匀分布力的过程中，必然会产生横向应力和剪应力，如果锚后受拉钢筋配置不足或端部接缝处混凝土抗拉强度折减后小于锚固力产生的横向拉力，则会在锚固区的接缝截面产生裂缝。对于悬臂浇筑的混凝土箱梁来说，还存在预应力筋在拼接缝处的局部受力问题，如图1。在新浇节段张拉预应力筋时，由于混凝土的局部变形，在预应力的传递区内将产生横向拉力和局部压应力，在后浇节段张拉时同样会发生该内应力，如图2，根据力平衡原理，在拼接锚头之间的压应力必将减小，甚至转化为拉应力，因此在接缝处极易产生裂缝。

图1 悬臂浇筑混凝土箱梁在拼接缝处的局部受力

图2 悬臂浇筑混凝土箱梁节段张拉预应力筋时局部受力

(2)预防措施

锚固区的主要钢筋应设计为承受在预防轴上横向应力分布所决定的破裂拉力，因此在预应力束的垂直方向应设置钢筋网、螺旋筋、曲线形钢筋或箍筋。在角隅处由于存在剥落拉力和次应力，因此在该区域应设置补强辅助钢筋。对于OVM型的锚具，为了改善锚下混凝土的受力，采用了锚垫板和喇叭管一起浇筑的定型化标准铸件，通过对锚下局部应力的空间分析表明，这种设置不仅能够减小周围混凝土的横向拉应力，同时也能减小混凝土的压应力，从而改善了锚下混凝土的受力，从安全角度出发，在喇叭管周围还应再适当布置些螺旋筋。另外从施工角度上分析，该处钢筋较密，在浇筑过程中必须加强振捣，保证该处混凝土的密实，在混凝土达到90%设计强度以上时才能进行张拉作业。

5 施工问题引起的荷载裂缝的原因及预防措施

(1)支架现浇段施工时的裂缝产生原因及预防措施

①边跨合拢时在支架和梁底之间会产生较大的摩阻力，尤其是当支架的刚度较大时(为确保安全，施工时支架的设置都很保守)，支架不能随梁体共同变形，则梁体内混凝土将受到很大的拉力，产生裂缝。有效的预防措施是要保证支架与梁底之间能相对滑动，目的是使边跨合拢时现浇段能够随着相接的悬臂浇筑段自由伸缩，避免梁体混凝土拉应力的产生。

②由于支架本身存在着弹性和非弹性变形，而落在永久支座的一端几乎不会发生沉降，由此在梁端会产生较大的剪切变形，产生竖向裂缝，因此施工时除了重视支架的预压，消除非弹性变形外，还要重视支架基础的有效处理，做好排水，预防支架的不均匀沉降。

③在边跨现浇段，一般梁高较小(2～3m)，竖向预应力筋(通常为精轧螺纹钢筋)较短，预应力损失较大，预应力张拉较难预防，往往张拉力不足，是直接导致腹板产生主拉应力斜裂缝的主要原因之一。因此在预应力筋张拉时应采用两次张拉工艺，每次张拉吨位保持一致，并对张拉后的预应力筋做好标记，尽可能的减少竖向预应力的损失。