关于预应力混凝土箱梁腹板裂缝的研究

摘要：预应力混凝土箱梁结构广泛应用于大跨桥梁和立交工程中,但是箱梁腹板普遍存在裂缝的问题。对于预应力混凝土箱梁,腹板更易出现裂缝，在预应力混凝土箱梁桥中,由于需要在腹板内布筋和使纵向预应力筋转向,故必须增加腹板的厚度,从而使梁的自重加大。随着跨度的增加,减轻梁的自重成为首要问题。减少梁的自重意味着减少架梁设备的投资,并且使使用荷载有更多的储备。采用体外预应力钢筋混凝土翼缘板及钢腹板等方法,能用传统的建筑材料建成新型的预应力复合结构体系。与传统的预应力混凝土箱梁相比,这种新型结构将更轻便、更高效,并能拓展各种传统建筑技术的应用范围。

关键词:箱梁桥;复合结构;钢腹板;混凝土板

Abstract: The prestressed concrete box girder structure is widely used in large bridges and overpass engineering, but the box girder crack problems exist. For prestressed concrete box girder webs, prone to crack, in prestressed concrete box girder bridge, because of the need to turn in the web of steel rod and the longitudinal prestressing tendon, it must increase the thickness of the web plate, so that the beam weight increase. With the increase of span, reduce the deadweight of the beam becomes the first problem. Reduce the deadweight of the beam is meant to reduce frame beam equipment investment, and make use of load has more reserves. Using in vitro prestressed reinforced concrete flange plate and steel webs and other methods, can be built prestressed composite structure system model with the traditional building materials. Compared with the traditional prestressed concrete box girder, this new structure will be lighter, more efficient, and can expand the application range of the traditional construction technology of.

Keywords: box girder bridge; composite structure; steel plate; concrete slab

中图分类号：U445.7+2文献标识码：A文章编号：

一、引言

（一）箱梁因其整体性好、刚度大、易做成复杂形状等优点,被广泛应用于大跨桥梁和各类立交工程。

改革开放以来,我国的桥梁工程及立交工程广泛使用了预应力混凝土箱梁。根据近几年桥梁普查的结果,这些箱梁的开裂现象比较严重,而其中腹板的裂缝又占相当大的比重,尤其是连续刚构桥。这些裂缝不仅会使受压混凝土的有效截面减少,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。作为交通枢纽的立交工程或大跨桥梁,箱梁开裂可能引起交通事故,因此有必要对箱梁腹板做细致的力学分析，笔者对箱梁腹板的裂缝问题进行了较深入的研究,提出了一系列理论和防止箱梁开裂的措施。

就开裂的桥梁来看,竣工通车时间在10年左右,开裂的情况比较严重,裂缝宽度在0.25 mm以上,裂缝贯通腹板厚度,多发生在腹板的薄弱部位,如预留的过人孔和通气孔,裂缝呈倾斜向,明显表现出斜截面上抗主拉应力不够,故主拉应力控制裂缝的发展。由于预应力混凝土箱梁的腹板相对较薄,并且有数量众多的预应力筋,是箱梁中比较薄弱的部位,同时由于混凝土的收缩徐变,以及各种施工因素的影响,使得腹板的应力分布更为复杂,该部位出现裂缝的概率较大。为了避免箱梁腹板,尤其是小半径预应力混凝土箱梁的腹板出现裂缝,必须要对板进行各种工况下的应力分析。

（二）腹板斜率研究的必要性及斜率选择遵循的原则

1、腹板斜率研究的必要性

预应力混凝土箱梁的腹板斜率既是影响箱梁结构受力的重要因素,又会对桥梁的美观产生直接影响。

2、斜率选择遵循的原则

(1)首先要保证桥梁结构方案的合理性,在桥梁结构方案合理的前提下,尊重桥梁所跨越地域的地理、地貌或城市原有的空间环境景观需要。桥梁造型要充分考虑到应与周围环境相得益彰,对桥的造型进行巧妙的设计,改变传统中结构简单外型僵硬的直线条，尽可能地采用曲线形结构,突出曲线美;

(2)通过优化计算,选择合理的梁断面形式,力求减小桥梁的结构尺度,减低桥梁本身对人们的视觉影响;

(3)要使预应力混凝土箱梁与下部结构所采用的圆端形桥墩形成有机的结构整体,相互协调;

(4)摒弃目前桥梁景观设计的一些误区,其一是桥梁景观“包装”式设计方法;其二是桥梁景观设计上的“伪桥型”现象。

（三）预应力混凝土箱梁腹板开裂的设计原因

大跨径预应力混凝土连续梁桥一般情况下采用3向预应力结构，即在腹板顶部和顶板靠近腹板的两侧以及底板布置群锚的纵向预应力体系、在顶板横向布

置的横向预应力体系、在腹板布置的竖向预应力。目前箱梁的预应力体系存在着计算模型不完善、 《公路桥涵设计规范》对预应力的损失计算不足、箱梁构

件设计不合理，这些都是预应力混凝土箱梁产生裂缝的重要原因。

1、计算模式不完善

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。现在的各种通用有限元分析软件，对 PC 桥梁结构线弹性受力模拟较好，但对非线形受力行为模拟存在一定的困难，要对所有的大跨 PC 箱形梁桥实施三维空间有限元分析。设计规范充分考虑了纵向预应力的计算，但对竖向应力的设计没有作特别的说明，现阶段纵向预应力的计算是基于一维杆件轴向压缩计算得出的，很明显现阶段的纵向预应力的计算方法不能用于竖向预应力计算。近年来修建的多向预应力混凝土箱梁桥梁大多数在腹板均产生了不同程度的裂缝，竖向预应力计算与设计分析不当是重要原因之一。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、腹板竖向预应力损失考虑不足

我国现行设计规范充分考虑了纵向预应力的弹性压缩损失的计算，但对坚向应力的弹性压缩损失没有作特别的说明，纵向预应力的弹性压缩损失是基于一维杆件轴向压缩计算得出的，而竖向预应力有其自身的特点: ①竖向预应力筋比较短，与纵向预应筋相比达到相同的应力水平，其弹性变形要小得多; ②竖向预应力筋锚固端沿腹板轴向排列，而纵向预应力筋的锚固端则排列在箱梁的某个截面上。显然，纵向预应力弹性压缩损失的计算方法不适于竖向预应力的计算。

混凝土箱梁竖向预应力在锚固端附近区域会产生竖向拉应力，这类拉应力将加剧箱梁腹板与顶板过渡部位的开裂。竖向拉应力，这类拉应力将加剧箱梁腹板与顶板过渡部位的开裂。

3、箱梁构造设计不当

有些设计者过于追求桥梁的美观及跨径，忽视对箱梁细部构造的考虑，使得箱梁截面日趋纤薄，横隔板日渐减少，底板腹板偏薄，齿板局部承压面积不足。有些项目的设计过多的进行了结构优化，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。施工制造的误差，造成箱梁两侧腹板厚度不均匀，这必使较薄一侧的腹板首先开裂; 不可避免的偏载及两侧腹板混凝土内部不均匀缺陷等因素所造成的两侧腹板受力不均匀。箱梁两侧腹板设计时是将两侧腹板假定均厚然后简化成工形来设计和计算抗裂性的，箱梁两侧腹板厚薄不均会导致受力不均，也会产生裂缝。

4、温度应力的影响

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，这已被认为是预应力混凝土

箱形梁产生开裂的主要原因之一。温度梯度对混凝土梁桥的影响较大，除了与结构截面形状和尺寸、桥面铺装层材料和厚度有关外，还与太阳辐射强度、桥址位置和方向、大气透明度、风速、地形地貌等诸多因素有关。采用平面杆系理论，

并按现行规范规定的温度变化模式分析计算具有明显空间受力特征的箱形结构的温度应力存在一定不足，计算准确程度略低，计算具有一定的局限性。

（四）设计上采取的控制腹板裂缝措施

1、先采用杆系有限元对预应力箱梁结构进行整体受力分析，然后采用三维空间有限元对结构的局部受力进行详细的分析，这样既能减少大量的结构分析所花费的时间，同时又能有效地避免预应力效应带来的局部开裂问题。

2、随着预应力筋防腐工艺的不断改进，无论是采用体外预应力技术还是无粘结技术，都可以作为提高竖向预应力筋的有效预应力的一种设计措施，易于满足安装、检查、维修，必要时，可更换。

3、 利用有限元软件对箱梁腹板竖向预应力筋的弹性压缩损失进行分析，得到竖向预应力筋受分批张拉的影响范围及影响规律; 将箱梁腹板简化为弹性办学中半无限体模型，结合有限元分析结果总结出腹板竖向预应力弹性压缩损失的弹性解析公式。

4、跨中和边跨靠近边跨现浇箱梁的地方箱梁高度较矮，减去竖向预应力筋上下锚固的长度，有效预应力筋非常短，其预应力作用机理非常有限。在设计时，在腹板处需要增加普通钢筋，来提高腹板抗开裂的能力。

5、 当腹板与底板的厚度存在较大差异时，其相交处的梗掖截面形式需要进行优化。并布置适量的构造钢筋，避免温度、收缩和徐变的影响引起的裂缝。重视宽翼缘箱梁剪力滞效引起的翼板纵向应力的明显增大，配置足够的受力钢筋，避免裂缝的出现。

二、总结：

在我国已经建成的预应力混凝土连续箱梁桥中，部分桥梁在运营过程中，出现了不同程度的裂缝情况。预应力箱梁出现的裂缝主要有: 箱梁顶板和底板的纵向裂缝，箱梁腹板的斜向裂缝，特别是靠近边跨现浇箱梁端部范围的两侧腹板出现近 45°的斜向裂缝，这些裂缝的性质大部分为受力裂缝，且宽度较大。箱梁腹板裂缝使箱梁整体结构的抗扭转能力、抗剪能力、跨越能力乃至结构承载力下降，桥梁挠度进一步加大，桥梁结构的安全性受到威胁。箱梁的开裂与下挠还是相互影响的，从某种意义上讲，箱梁开裂，尤其是腹板斜向开裂，导致了桥跨下挠过大。本文从设计分析研究如何有效地控制箱梁腹板裂缝的产生，以期为设计提供参考。