探析預應力混凝土箱梁裂縫成因

探析預應力混凝土箱梁裂縫成因

摘要：隨著混凝土箱梁結(jié)構在橋梁設計中的不斷推廣和應用，該橋型在施工和使用過程中已出現(xiàn)了許多裂縫，本文通過閱讀大量的文獻和資料，總結(jié)了混凝土箱梁裂縫產(chǎn)生的原因。

關鍵詞：預應力；混凝土箱梁；裂縫

1使用混凝土箱梁的優(yōu)點
在已建成的大跨度預應力混凝土梁橋中，當跨度超過40m后，橫截面大多采用箱形截面。其主要優(yōu)點是：
①箱形截面是一種閉口薄壁截面，其抗扭剛度大，截面效率指標較T形截面高，結(jié)構在施工和使用過程中都具有良好的穩(wěn)定性。②頂板和底板面積較大，能有效地承擔正負彎矩，并能滿足配筋的需要，適應具有正負彎矩的結(jié)構，也更適應于主要承受負彎矩的懸臂梁、T形剛構等橋型。③適應現(xiàn)代化施工方法的要求。④承重結(jié)構和傳力結(jié)構相結(jié)合，使各部件共同受力，截面效率高并適合預應力混凝土結(jié)構的空間布束，因此具有較好的經(jīng)濟性。⑤對于寬橋，由于抗扭剛度大，內(nèi)力分布比較均勻，跨中無需設置橫隔板就能獲得滿意的荷載橫向分布。⑥適合于修建曲線橋，并具有較大的適應性。⑦能很好適應布置管線等設施。在設計上，箱形截面可極大地發(fā)揮預應力地效用�？商峁┖艽蟮鼗炷�土面積用于預應力束地通過，更關鍵地是可提供較大地截面高度，使預應力束有較大的力臂。因此，橋梁設計師可發(fā)揮箱梁和預應力地特點，頂?shù)装蹇v向鋼束采用平彎和豎彎相結(jié)合的空間曲線，集中錨固在腹板頂部的承托中（或錨固在腹板中），底板鋼束盡可能靠近腹板加厚板（齒板）并在其上錨固。
2預應力連續(xù)箱梁裂縫的產(chǎn)因
預應力連續(xù)箱梁的裂縫類型主要有：邊跨斜裂縫，邊跨水平裂縫，中跨斜裂縫，中跨水平裂縫，邊跨的水平裂縫、斜裂縫同時發(fā)生，中跨的水平裂縫、斜裂縫同時發(fā)生，底板、頂板縱向裂縫，底板、頂板橫向裂縫、箱梁橫隔板的放射性裂縫，預應力錨固部位齒板附近裂縫。
預應力混凝土連續(xù)箱梁裂縫從成因角度可分為：由荷載效應（如彎矩、剪力、扭矩及拉力等）引起的裂縫、由外加變形或約束引起的裂縫，主要包括“基巖效應”、地基不均勻沉降、混凝土收縮、外界溫度的變化等、鋼筋銹蝕裂縫、預加力次效應引起的裂縫、建材原因引起的裂縫。
根據(jù)裂縫產(chǎn)生部位的不同我們可將其分為：翼緣板橫向裂縫和腹板斜裂縫兩種。
①翼緣板橫向裂縫一般發(fā)生在箱梁受縱向彎矩較大處的受拉翼緣板處，橫向裂縫一般均發(fā)生在跨中底板翼緣。對于連續(xù)箱梁，橫向裂縫還發(fā)生在支座負彎矩處的頂板翼緣，并且大部分出現(xiàn)在距支點1/3跨徑范圍以內(nèi)，越靠近支點裂縫越嚴重，對于該類型裂縫，主要有以下原因引起，首先，設計時翼緣板有效分布寬度考慮不足，薄壁箱梁翼緣板有效分布寬度問題實際上就是剪力滯問題，由于理論計算剪力滯效應較為繁瑣，不適于工程應用，各國普遍采用有效分布寬度的概念。由于剪力滯效應的考慮不足或計算值安全儲備較低，在一些特殊荷載工況下容易發(fā)生應力過度集中，腹板處翼緣應力波峰超過允許值，因而首先在該處發(fā)生橫向裂縫。在多年反復荷載的作用下，裂縫橫向發(fā)展，向翼緣板中部擴展，以至于形成橫向通縫。對于薄壁箱梁橋的翼緣板橫向裂縫，病害原因多歸于此。其次，混凝土徐變引起橫向裂縫，在長期荷載作用下，受混凝土徐變影響，箱梁在運營6年～7年后跨中均有不同程度的下?lián)犀F(xiàn)象。較大的形變引起箱梁應力重分布，給結(jié)構帶來附加被動應力。由于結(jié)構所受到的外荷載不變，各截面應力增加是由附加彎矩不斷變化引起的，附加彎矩隨時間不斷增加，直到混凝土徐變停滯為止。
同時，預應力松弛也會引起橫向裂縫，對于預應力混凝土結(jié)構，箱梁內(nèi)部預應力對結(jié)構應力狀態(tài)有較大的影響，隨著橋梁運營時間的增長，預應力鋼束發(fā)生松弛效應，并且越來越明顯。在現(xiàn)代施工中一般采用低松弛鋼絞線材料，并且規(guī)范張拉工藝，但在具體操作中難免會出現(xiàn)與規(guī)范不相吻合的情況，力筋長期持荷加之混凝土收縮徐變影響，預應力損失也是相當嚴重的。同時，選用鋼筋不合理也會引起橫向裂縫，對于普通鋼筋混凝土箱梁，鋼筋與混凝土的粘結(jié)力對結(jié)構的整體剛度和裂縫的擴展有較大的影響。我們應該選用表面不光滑、化學吸附作用和握裹力都較強的預應力鋼筋。

②腹板斜裂縫一般發(fā)生在支點至1/4跨之間。對于預應力和非預應力箱梁，在施工階段以及在運營階段，腹板經(jīng)常出現(xiàn)斜裂縫，斜裂縫同樣有多種因素引起，有設計計算、設計構造配筋、施工工藝、氣候條件、日常維護、荷載工況等。部分因素在導致翼緣板出現(xiàn)橫向裂縫的同時也是腹板斜裂縫的主要原因，首先，預應力損失過大導致腹板主拉應力過大，由于縱向預應力損失的存在，部分預應力損失超過設計計算值導致截面抗彎承載力嚴重下降，從而產(chǎn)生翼緣板橫向裂縫。對于預應力混凝土薄壁箱梁結(jié)構，預應力損失也是腹板斜裂縫的主要病害原因，預應力損失量估計不足或者在實際張拉過程中操作不當引起應力損失量加大等情況經(jīng)常發(fā)生，導致力筋的有效預應力達不到設計要求，從而腹板因主拉應力超過容許值而發(fā)生開裂。豎向預應力鋼筋較短，張拉后少量的回縮即可產(chǎn)生較大的預應力損失，分批張拉產(chǎn)生的彈性壓縮可以使預應力損失達11％，如果有超張拉情況，其損失率更大。懸臂對稱施工時，掛籃一般后錨于豎向預應力螺紋鋼上，在施工荷載的作用下，預應力損失也比較大。其次，溫度梯度過大會導致腹板剪切應力過大，從而產(chǎn)生腹板斜裂縫。在陽光充足的地區(qū)，太陽直射橋面，因而橋面板溫度急劇升高，靠近水面的底板溫度較低，兩者形成溫度梯度。對于目前普遍采用的大跨度、變截面箱梁，隨著截面高度變化幅度的增加及箱梁長度和支撐約束的增加，溫度梯度應力沿梁長方向變化較快，對于氣溫變化較為強烈的地區(qū)，由于頂板翼緣受外界溫度影響較大，隨外界氣溫變化波動較為明顯，導致腹板拉壓應力交替頻繁，在應力幅度變化較大的區(qū)域也容易出現(xiàn)斜裂縫。同時，腹板抗剪強度設計值不足也會造成腹板斜裂縫的出現(xiàn)。設計薄壁箱梁的首要目的是減輕結(jié)構自重，降低材料使用量，所以其腹板與翼緣板設計厚度較薄。箱梁腹板面積與抗剪承載力有密切的關系，而薄壁箱梁腹板面積與普通箱梁相比是小得多得，在無預應力作用情況下，腹板依靠提高腹板的箍筋配筋率和彎起鋼筋得數(shù)量來提高其抗剪能力。但是在腹板厚度有限的條件下，其提高值亦是有限的。所以，薄壁箱梁腹板抗剪能力相對于普通混凝土箱梁較小，斜裂縫容易發(fā)生。
3結(jié)語
預應力箱梁在正常使用極限狀態(tài)下不應該出現(xiàn)梁體裂縫，但是已建預應力混凝土箱梁橋上的開裂情況卻非常普遍，因此我對預應力混凝土箱梁橋典型裂縫成因進行了系統(tǒng)總結(jié)，望能為混凝土箱梁的設計和施工起到一定的參考價值。

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