预应力混凝土箱梁裂缝成因及防治设计

摘要:随着新技术、新工艺的不断涌现，预应力混凝土箱梁凭借跨径大、自重小，承载能力强等优点，在桥梁工程中得到广泛的应用。但预应力混凝土箱梁也容易产生裂缝病害，严重影响了结构安全。本文从设计角度研究预应力混凝土箱梁裂缝成因，提出防治设计措施，以供此类工程设计人员参考。

关键词:裂缝；挠度；防治设计；结构计算；构造细节

Abstract: with the new technology, new technology are increasing, the prestressed concrete box girder with big span, respect the small, carrying capacity is strong wait for an advantage, in bridge engineering is widely applied. But prestressed concrete girders and easy to crack disease, serious impact on the safety of the structure. This paper, from the view of design research prestressed concrete girders crack formation, and puts forward prevention measures designed for such engineering designers.

Keywords: crack; Deflection; Control design; Structure calculation; Structure details

随着城市建设的发展，新技术、新工艺的不断涌现，城市桥梁工程建设规模夜逐渐扩大。预应力混凝土箱梁以其跨径大、结构轻盈、承载能力强、经济合理及施工简单等优点而在桥梁工程中被广泛利用。预应力混凝土箱梁具有工序繁多、工艺复杂质量和安全风险高的特点，因此，容易产生质量问题。预应力混凝土箱梁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，给桥梁结构带来了严重的安全隐患。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。本文从裂缝饿成因入手，着重从设计方面提出防治措施。

1 裂缝成因

按照裂缝发生的部位主要分为顶底板裂缝、腹板裂缝和横隔梁裂缝。顶底板横向裂缝，反映了正截面抗裂能力不足。造成原因主要有:①纵向预应力损失过大，实际提供的有效预应力不足。有大量资料证明，实测的预应力效应明显低于设计分析期望值。②实际发生的收缩徐变变形超过理论预测。③对剪力滞效应考虑不够，截面应力峰值超过平均值较多。

顶底板纵向裂缝，反应了顶板横向抗裂能力不足。造成原因主要有:①横向预应力损失过大，实际提供的有效预应力不足。②横向预应力位置偏差。由于顶板厚度较薄，既要布置横向预应力束，又要布置非预应力钢筋。实际施工中，横向预应力钢束的“偏心距”较难精确控制，一旦偏心距的实际偏差较大时，极易在顶板下缘出现纵向裂缝。③纵向预应力横向平弯径向力考虑不足。④顺桥向预应

力过大。在正交向极易产生由泊松比而引起的横向拉应变，甚至沿波纹管的方向产生规则性的纵向裂缝。管内积水锈蚀钢束，此类裂缝的危害性很大。⑤施工过程中水化热产生的温度自应力引起的纵向裂缝。

腹板斜裂缝，反映了斜截面抗裂性能不足。腹板主拉应力是腹板开裂的主要衡量标准，其计算复杂，影响因素众多，常规的平面有限元分析软件很难准确计算，是导致腹板斜裂缝产生的主要原因。

横隔梁裂缝，主要是由于支座布置不合理及横隔梁计算模型中，外荷载考虑不周造成的。

2 裂缝对挠度的影响

许多桥梁实例显示，梁体的下挠与裂缝开展的程度有密切的关系，下挠最快的时刻也正是裂缝大量开展和发生的时刻。梁体裂缝对挠度的影响主要表现在:①增加了几何变形、降低梁体的刚度，致使下挠不断增加;②开裂断面处所释放的能量一部分转移至该截面所配置的钢筋，另一部分转移至未开裂梁段，导致梁体内力重分布，使未开裂梁段的应力增大，促使新的裂缝产生;③交变荷载作用使得裂缝不断扩展，挠度不断增加。

3 防治设计措施

3.1 结构计算方面

(1)准确模拟实际施工状态

计算中应模拟出实际结构可能出现的不利施工状态，例如对悬臂施工的桥梁，应该模拟出这种施工状态:该节段混凝土浇筑完毕，锚固于该节段的预应力钢筋尚未张拉，挂篮尚未前移，顶板混凝土无桥面铺装受日照正温差或日照反温差影响的情况。

(2)荷载组合时应区分运营前后期

运营前期，此时收缩徐变尚未全部完成就与运营荷载组合。运营后期，此时收缩徐变均已全部完成再和运营荷载组合。有时是运营前期控制，以往习惯只计算运营后期，可能会造成漏算。

(3)综合考虑主应力的空间效应

规范中对主应力的计算公式都是针对早期设计的I形梁、T形梁而言的，因为这两种梁式应用平面计算出来的主拉应力是可靠的，能够控制斜裂缝的开展。但是对于箱梁主应力计算并没有明确的公式。对于箱梁，特别是腹板间距较大的箱梁，横向框架效应对主拉应力的影响非常显著。荷载作用下，箱梁腹板内外侧竖向正应力σy不是均匀分布的。原来按照平面计算时σy还有一定压应力，在考

虑横向效应后可能出现拉应力，这就导致腹板内外侧主拉应力有很大差异。考虑空间效应与平面计算的主拉应力，二者的差异主要与腹板之间的距离有关。其距离越大，差异也越明显，按照平面计算的值也就越不可靠。鉴于目前的计算手段，采用空间实体单元或板单元模型尚有困难。因此通常做法都是纵向计算采用平面杆系模型，横向计算则按平面框架考虑。实施的理念是:纵横分算，综合考虑。这里特别强调一下计算时必须综合考虑。

主应力计算时，除综合考虑横向框架效应的影响外，还必须重视温度自应力对主拉应力的影响。主应力计算公式

中，主应力计算点处由荷载产生的沿纵向的正应力计算公式应为。公式最后一项σs为沿截面温度变化的非线性梯度温度产生的自约束应力。此应力用截面内力是无法计算出来的，设计分析容易遗漏，以至于造成主应力计算值偏小。

斜腹板箱梁抗剪计算时，应采用腹板垂直厚度，而不应取腹板水平截线宽度。这点在以往的主应力计算中也经常被忽视。

(4)预应力损失计算参数应取规范容许值的上限

有大量资料证明预应力的有效性实测值，明显低于设计分析的期望值。其中一个很重要的原因就是规范中预应力损失计算参数取值偏低。如管道偏差系数K，实测值经常比规范值大6倍左右。K值是反映管道线形平顺度的，与施工质量有很大关系，存在很大的变数。美国桥规中对K的取值比我国规范要大。鉴于以上原因，设计计算时预应力损失计算参数均应取规范值的上限。

(5)考虑腹板箍筋双向受力

对于预应力混凝土箱梁，腹板箍筋既要参与纵向抗剪又要承受横向抗弯。设计中如果把箍筋100%进行纵向斜截面抗剪计算，强度满足要求，再把箍筋100%进行横向框架计算也满足要求。看似所有验算都通过了，实则不然。箍筋不能在参与一个方向受力的同时再100%地在另一个方向发挥作用。