预应力混凝土箱梁腹板裂缝分析探讨

【摘要】本文分析预应力混凝土箱梁腹板常见裂缝类型，从结构计算分析、竖向预应力损失、箱梁构造设计施工、温度梯度应力等方面探讨箱梁腹板裂缝产生的原因，为工程提供借鉴作用。

【关键词】预应力混凝土箱梁；腹板；裂缝

一、 引言

预应力混凝土箱梁桥因其具有较大的抗弯抗扭刚度、较好的整体性和连续性而被广泛采用，但许多预应力混凝土箱梁桥腹板在施工或使用阶段普遍出现了各种不同性质的裂缝。腹板裂缝不仅会削弱桥梁结构的强度和刚度，还会加速钢筋的锈蚀，对结构的耐久性、承载力都构成很大的威胁。预应力混凝土箱桥腹板裂缝问题已越来越引起人们的关注。

二、箱梁腹板裂缝常见类型

箱梁腹板裂缝根据其产生形态可分为斜向裂缝、水平裂缝、竖向裂缝、腹板沿束裂缝和锚后拉应力裂缝等五种。

（一）腹板斜向裂缝

腹板斜裂缝主要分布于距支座L/4附近的腹板或边跨梁端腹板区域，裂缝约呈45度分布，主要有弯剪斜裂缝和腹剪斜裂缝两种，一般为箱梁腹板抗剪能力不足产生的结构性裂缝。箱梁腹板抗剪能力主要由混凝土本身的抗剪能力、纵向弯起束预应力产生的正应力、竖向预应力和非预应力钢筋网三部分组成。当箱梁支座附近剪切应力过大、腹板抗剪应力不足，以及主拉应力方向抗裂安全储备考虑不充分等因素主拉应力过大时腹板出现斜裂缝。

（二）腹板水平裂缝

腹板水平裂缝多见于主跨L/4-3L/8之间的腹板，出现的原因主要是由箱梁横向弯曲空间效应与内外温差应腹板内侧或外侧产生较大的竖向应力、箱梁横向刚度不足、畸变应力影响、竖向预应力不足等原因产生竖向应力，从而产生水平裂缝。

（三）腹板竖向裂缝

腹板竖向裂缝主要由于温度影响的拉裂裂缝和混凝土收缩产生的收缩裂缝，结构性裂缝和非结构性裂缝都有。温度影响的竖向拉裂裂缝由于混凝土箱梁的热胀冷缩受到阻碍后，产生的混凝土拉裂裂缝，由于支座、伸缩缝受到阻碍不能正常工作，一旦温度变化，在边跨支座附近箱梁截面可能整个被拉开，裂缝间距为最小板厚的1-2倍。腹板收缩裂缝多出现在箱梁的现浇施工中，由于模板对腹板的摩擦约束，使混凝土收缩受到阻碍，在脱模后2、3小时内出现竖向贯通裂缝，缝宽0.2-0.4mm，施加纵向预应力后大多闭合。

（四）锚后拉应力产生的腹板斜裂缝。

悬臂浇筑法施工的预应力锚头一般布置在接缝面，由于不同节段的混凝土龄期不同，弹性模量不一样，且后浇筑节段混凝土抗拉强度较低，锚固区局部高应力引起的蠕变导致锚后接面产生拉应力，当锚后受拉钢筋配置不足时容易产生裂缝。

（五）腹板沿束裂缝

腹板沿束裂缝指沿腹板中布置的纵向预应力钢束开裂的裂缝，一般是因为施工时预应力筋位置移动使保护层厚度产生的，在预应力束锚头处混凝土的收缩也可能导致这类裂缝。

三、箱梁腹板裂缝产生原因探索

1、结构分析计算的不足。

目前国内预应力混凝土桥梁结构分析多采用平面杆系有限元分析程序，这种计算模型对于箱梁截面的总体应力基本是准确的，但对于局部应力则无法反映。对于连续梁、连续刚构箱梁桥等复杂的空间结构，沿桥梁纵向箱梁高度、箱梁顶板、底板、腹板厚度是逐渐变化的，故剪力滞效应是变化的，由偏心荷载引起的扭转、畸变的影响也是变化的。但在整体分析计算时，用平面程序很难精确模拟这种变化，计算时也往往忽略了一些影响因素，导致计算结果很难与结构实际受力情况完全吻合。因此，正确估计腹板竖向预应力在腹板内产生的应力特征，对防止腹板开裂有重要意义。 2、腹板竖向预应力考虑不足

部分设计从工程造价和施工便利等方面考虑采用直线式纵向预应力筋，或在梁高较低的边跨梁端不采用弯起纵向预应力筋，过分依赖纵向和竖向预应力筋来控制主拉应力。实践中，由于竖向预应力较短或张拉施工等因素预应力损失较大。据研究，竖向预应力损失70%和100%时腹板主拉应力比竖向预应力损失50%时分别增大40%和100%。过大的竖向预应力损失而造成边跨腹板大量斜裂缝。

3、箱梁构造设计施工不当 有些设计者过于追求桥梁的美观及跨径，过多的结构优化，造成腹板厚度过薄，预应力筋和钢筋布置缺乏合理的保护层和间距数量的要求。腹板中的箍筋和弯起钢筋布得太少，当竖向预应力损失较大，也会导致斜截面的抗剪能力不足出现斜裂缝；由于施工控制原因造成腹板厚度偏低或不可避免的偏载，造成腹板受到过大应力而开裂。

4、温度梯度应力参数不当

理论分析和实践研究均已证明，在大跨预应力混凝土箱形梁桥特别是超静定结构体系中，温度应力甚至超出荷载应力的影响，认为是预应力混凝土箱形梁产生开裂的主要原因之一。据研究表明，温度梯度应力对腹板高度不大而变化又较明显的L/4跨径附近的影响最大，在夏季温度应力可达到4MPa左右，增加了腹板的剪应力和主拉应力。不同温度梯度模型得到箱梁温度应力相差很大，甚至有可能计算结果是异号的。所以，设计时温度梯度模型选用不当，即使增大温度设计值，也不能保证结构的抗裂性。

四、 实例分析

江门市新民大桥位于江门市境内S364 线上，主跨为预应力混凝土单箱单室连续箱梁，采用直线式纵向预应力筋和竖向预应力筋。经多年使用，主跨箱梁腹板1/4L、3/4L 附近出现大量约45?角的斜裂缝，裂缝宽度箱室内大于箱室外，箱室外最大裂缝宽度为 0.3mm，箱室内最大裂缝宽度为 0.8mm。

经分析，箱梁腹板斜裂缝的原因可能如下：

1、箱梁腹板预应力不足或者预应力损失过大，使得预应力达不到设计要求，在荷载作用下，腹板部位斜截面混凝土出现过大的主拉应力，致使腹板开裂；

2、腹板的厚度偏薄，使得腹板的抗剪能力降低，产生抗剪斜裂缝；

3、超载车辆的行驶对箱梁腹板开裂有一定的影响。

五、小结

预应力混凝土箱梁桥腹板在施工或使用过程普遍出现了各种不同性质的裂缝问题，部分是由于受力产生的结构裂缝，对桥梁结构安全带来很大隐患。本文将常见照裂按形态划分为斜向裂缝、水平裂缝、竖向裂缝、腹板沿束裂缝和锚后拉应力裂缝裂缝等五种裂缝，从结构分析计算不足、竖向预应力损失、箱梁构造设计施工不当、温度梯度应力参数不当等方面探讨箱梁腹板裂缝产生的原因，为工程提供借鉴作用。

参考文献

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