大跨径预应力混凝土桥梁裂缝分析与控制海口

1/501、我国大跨混凝土桥梁现状及问题

2、预应力混凝土连续箱梁的裂缝特征

3、箱梁裂缝原因分析

4、裂缝控制与防治措施

5、裂缝控制实例内容2/50世界PC连续刚构发展的制高点澳大利亚1985年门道（Gateway）桥，跨径145+260+145m，保持PC连续刚构跨度世界纪录达12年。中国1997年虎门大桥辅航道桥（主跨270m），打破该项纪录。挪威1998年建成世界第一的Storlms斯托尔马桥（主跨301m）和世界第二的RaftSunder拉夫特桥（主跨298m），将该桥跨度发展到顶点。2005年我国重庆石板坡长江大桥（主跨330m），居世界领先水平。3/50然而，在过去的30多年中，特别是1990年代，由于设计、施工和运营管理等方面存在不足和缺陷，预应力连续梁、连续刚构桥箱梁的腹板、顶板、底板、横隔板以及锚固齿板等部位普遍出现了不同形式的裂缝以及跨中挠度过大的现象。有些裂缝在施工期间就已经出现，有些经过一段时间运营后开始出现。这些裂缝对结构的安全性、耐久性和正常使用产生了十分不利的影响。4/50当结构出现裂缝后，一方面降低了结构的整体刚度，使结构变形过大、下挠；另一方面将对混凝土结构的耐久性带来严重影响。混凝土开裂后，氯离子、水分、氧气等侵蚀性化学物质将侵入混凝土内部，导致钢筋或预应力筋的腐蚀。钢筋锈蚀一方面减弱了钢筋与混凝土之间的粘结力，使桥梁的刚度、强度降低；另一方面，由于锈蚀膨胀，导致裂缝进一步发展，提供了使侵蚀破坏作用逐步升级、混凝土耐久性不断下降的渠道，形成混凝土结构耐久性进一步退化的恶性循环，就有可能导致结构耐久性的最终破坏，降低了桥梁的使用寿命，并对桥梁的安全性造成极大的威胁。5/50二、预应力混凝土连续箱梁的裂缝特征交通部科学研究院对全国公路系统主跨大于90m的200多座预应力混凝土箱梁桥的裂缝进行了调查与统计分析。调查涵盖了1980年代以来所建桥梁，桥梁跨径从80m到270m，发现箱梁几乎全都存在开裂现象。箱梁裂缝绝大多数总是集中分布在顶板、底板、腹板和横隔板的某些部位。调查发现共7类具有普遍性的裂缝，分别是：（1）腹板斜向、竖向、水平向裂缝；（2）顶板纵向、斜向和横向裂缝；（3）底板纵向、斜向和横向裂缝；（4）横隔板竖向、横向、斜向和过人孔周围辐射状裂缝；（5）锚下劈裂裂缝；（6）沿纵向预应力束孔道的裂缝；（7）齿板局部区域裂缝。6/50裂缝裂缝形态常见位置基本特征底板横向裂缝跨中附近底板及腹板横向裂缝往往延伸至腹板；出现时间为通车后。属于受弯裂缝。顶板横向裂缝桥墩部位顶板及腹板横向裂缝往往延伸至腹板；出现时间为通车后。属于受弯裂缝。腹板斜裂缝L/4跨及梁端附近腹板（1）通常腹板裂缝数量内侧多于外侧，裂缝宽度两端小、中间大。（2）裂缝与钢束方向大致垂直，与水平向角度30~60度，属受力裂缝。（3）设置下弯束的腹板，同样存在斜裂缝，但数量比不下弯的少。7/50裂缝裂缝形态常见位置基本特征顶、底板纵向裂缝全桥范围内的底板、顶板，一般位于板的中部、承托附近（1）顶板纵向裂缝通常沿桥全长分布，横向预应力对裂缝位置影响很小。裂缝宽度较小，多在施工或运营阶段出现。（2）底板纵向裂缝只在底板宽厚比一定范围内的局部梁段出现。底板纵向裂缝数量少，常见的是1~2条，缝宽较大，延续长度一般2~3个梁段。沿预应力管道裂缝任何预应力管道，尤其腹板管道弯曲段尤为严重（1）主要分布在箱梁腹板及底板、顶板，主要受钢束在板厚方向的布置和施工偏差影响。（2）多为通透性开裂，多数断续延伸，直至锚固位置附近。一般在施工阶段出现。8/50裂缝裂缝形态常见位置基本特征横隔板裂缝墩顶及跨中横隔梁过人洞周边（1）要分布在过人孔周边，裂缝形状为竖向、水平向、斜向，尤以竖向裂缝最严重。（2）横隔板100%开裂，裂缝数量多，宽度较大。（3）裂缝在成形拆模后即出现。齿板局部区域裂缝齿板与顶板、底板、腹板交界处，齿板侧面及前端纵向裂缝（1）对尺寸偏小的齿板，齿板与顶（底）板及腹板交界处是齿板局部区域裂缝产生的常见位置。（2）锚下劈裂裂缝绝大多数出现在齿板上。（3）锚下劈裂裂缝均呈辐射状，裂缝宽度、长度都较小，预应力钢束张拉结束后即可发现。9/50箱梁开裂调查总结：（1）预应力混凝土箱梁桥的开裂具有明显普遍性。从总趋势来看，大跨度预应力混凝土箱梁桥100%出现开裂现象，具有明显的普遍性。1990年代修建的桥梁开裂最为严重；连续梁桥和连续刚构桥的开裂没有本质的区别。（2）统计结果表明，腹板斜裂缝（包括顺管道裂缝）、水平裂缝、顶板及底板纵向裂缝、横隔梁裂缝是最主要的开裂形式。其中腹板斜裂缝对结构安全的影响程度最大。（3）预应力混凝土箱梁开裂成因机理复杂，多数情况下几种裂缝同时出现，相互影响。当裂缝出现后，梁体刚度降低，主跨下挠变形增加（塌腰现象），给结构的安全性和耐久性造成不利影响。10/50预应力混凝土连续箱梁桥存在的大面积的开裂现象，一方面，使得工程界对预应力混凝土箱梁桥的应用产生了怀疑，一定程度上影响了预应力混凝土箱梁桥在公路建设中的进一步推广和应用。另一方面，说明了在大跨径预应力混凝土连续桥梁的设计、施工方面，存在着缺陷和不足环节。因此，必须在总结以前经验教训的基础上，针对存在的问题，找出裂缝产生的原因，提出改进措施，做到精心设计、精心施工，使新建桥梁不再出现或尽量避免类似的病害。11/50三、箱梁裂缝原因分析1、常见裂缝的分类引起裂缝的原因很多，可归纳为两大类：（1）由结构自重、车辆等荷载引起的裂缝，称为结构性裂缝，其裂缝的分布及宽度与外荷载有关。这种裂缝的出现，预示结构承载力可能不足或存在其他严重问题。如腹板斜裂缝、顶底板受弯裂缝、锚下局压裂缝等。（2）由变形引起的裂缝，称为非结构性裂缝，如温度变化、混凝土收缩等因素引起的结构变形受到限制时，在结构内部就会产生拉应力，当拉应力达到混凝土抗拉强度极限值时，就会引起混凝土裂缝。如沿预应力管道裂缝、顶板及底板纵向裂缝、横隔梁裂缝、角隅裂缝等。12/50两类裂缝有明显的区别，危害效果也不相同。调查资料表明，在两类裂缝中以变形引起的裂缝占主导的约占80%，以荷载引起的裂缝占主导的约占20%，有时两类裂缝融在一起。对裂缝原因的分析是裂缝危害性评定、裂缝修补和加固的依据，若对裂缝不经分析研究就盲目进行处理，不仅达不到预期的效果，还可能潜藏着突发性事故的危险。结构性裂缝与结构受力有关，一般由设计错误和施工不当造成。非结构性裂缝的产生受混凝土材料组成、施工方法、养护条件和环境等多种因素影响。13/502、裂缝产生的原因分析（1）混凝土配合比不当引起的裂缝目前在修建的大跨径预应力混凝土桥梁中，常采用C50以上级别的高标号混凝土。但通过这些大型桥梁的建设、使用，发现目前使用的高标号混凝土存在如下问题：1）混凝土中水泥用量偏大。由于受到工期的制约，高标号混凝土大多采用较大用量的水泥。如目前常用的C50混凝土，水泥用量大多在450~500kg/m3。2）混凝土材料的控制指标较为单一。不少施工单位在配合比设计时，往往把强度作为唯一的控制指标，按以往经验进行一组配合比设计，试配后强度达到要求就算完成了；若达不到要求，常用的方法就是增加水泥用量，只重视混凝土的强度，而忽略了混凝土的收缩量、徐变性能、碱含量、氯离子含量等指标。14/50由于水泥用量大，混凝土材料控制指标单一，导致混凝土的收缩变形较大，容易引起早期开裂现象。最常见的开裂表现为顶板纵向裂缝、底板纵向裂缝、沿管道纵向裂缝等。混凝土的后期徐变变形与水泥用量有关，水泥用量越大，其后期变形就越大，往往导致主梁跨中后期挠度过大，降低了结构的承载力和安全性。混凝土的材料性能决定了桥梁的工作性能和耐久性。如果混凝土配合比设计不合理，即使设计再先进，施工再精细，管理再严格，也很难避免桥梁出现开裂、下挠等问题，就有可能导致结构耐久性的最终破坏，降低桥梁的使用寿命，并对桥梁的安全性造成极大的威胁。15/50（2）设计方面引起裂缝的原因分析1）目前在桥梁设计中广泛使用杆系有限元计算理论，在处理箱梁这种空间效应突出的结构时，在很多情况下将产生较大误差，如不能考虑温度场的空间分布、不能考虑荷载偏载影响、不能考虑横向效应等，对箱梁的剪力滞效应、扭转应力、畸变应力等不能准确计算。目前在桥梁设计中最典型的问题是，桥梁往往能够避免由于纵向受力导致的横向裂缝，而不能避免由于横向效应导致的顺桥向裂缝或水平裂缝。2）温度梯度会引起很大的应力，是导致连续梁桥出现裂缝的主要原因。目前在桥梁设计中，采用我国公路桥梁规范规定的温度模式。但由于我国各地区气候条件和地理环境差别较大，采用规范温度模式与实际出入较大，导致不能从理论上准确分析箱梁的温度应力分布规律及其对裂缝的影响。另外，在施工过程中，箱梁的局部升温要大大超过运营过程中采用的温度模式，导致箱梁产生局部开裂。16/503）目前在进行设计时，很难对箱梁的细部（如锚固区、横隔梁、0号块、顶板底板腹板的横向效应等）进行详细的分析，只是按照类似经验或构造要求进行设计配筋。实际上，这些部位应力分布复杂，仅凭简单的计算无法把握其真实的应力状态。在大跨径预应力混凝土桥梁中，常常设置构造钢筋，主要是为了提高抗裂性，防止由于设计或施工原因、温度应力与局部应力、一些难以分析的因素等导致的裂缝。但目前箱梁中的构造钢筋普遍偏少。4）混凝土的收缩、徐变是引起箱梁开裂的主要原因。但准确计算混凝土收缩、徐变的影响较为困难，主要在于混凝土的收缩、徐变参数较难确定，很难从理论上建立能够准确反映桥梁实际情况的徐变分析模型，不能准确地评估混凝土收缩、徐变对结构裂缝的影响程度。17/50（3）施工方面引起裂缝的原因分析1）箱梁裂缝尤其是早期裂缝的出现，与混凝土的施工工艺有很大关系。混凝土的拌制、浇注、养护条件等对混凝土的性能有很大的影响，施工条件好、养护条件好的施工可以减少箱梁裂缝，减小后期挠度。2）高强度精轧螺纹钢筋常作为桥梁结构的竖向预应力筋用于混凝土箱梁腹板中。由于对其锚固及锚固过程中的应力损失不能做到有效控制，导致竖向预应力不满足设计要求甚至失效，这是目前箱形预应力混凝土结构腹板出现裂纹的主要原因之一。3）大部分设计文件及规范并未对竖向预应力的张拉时机做出明确规定。目前常见的做法是与纵向筋同步分段张拉，但分段张拉将在腹板产生间隔性的应力空白区，导致箱梁腹板的竖向应力分布不均匀，从而可能产生主拉应力裂缝。18/504）纵向预应力效应对箱梁的开裂有较大影响，纵向预应力束中有效预应力的保持是减少开裂的关键。目前在施工过程只是通过张拉力和伸长量对预应力束的张拉进行控制，预应力束内的有效预应力只是理论上的数值，无法确定预应力的真实损失情况。5）支架变形引起的开裂。当支架刚度不足或未按规定进行预压时，在浇注混凝土后，支架产生了较大的变形，导致箱梁混凝土开裂。6）大跨径桥梁往往在墩顶段采取现浇混凝土的方式。该部位混凝土体积较大，其收缩变形也较大。但墩顶段支架一般是以托架的形式固定在墩柱上，不能自由变形，对箱梁混凝土的收缩变形具有限制作用，从而在混凝土内产生拉力，导致底板产生纵向或横向裂缝。7）边跨直线段支架设计不合理引起的开裂。边跨进行合拢口的临时束张拉时，若边跨直线段支架不能纵向滑动，将在直线段内引起很大的拉应力，导致混凝土开裂。19/50四、裂缝控制与防治措施1、提高混凝土材料的性能混凝土材料的性能决定了桥梁的工作性能和耐久性。若混凝土性能不好，即使设计再先进，施工再精细，也不能保证不发生开裂。对大跨径预应力混凝土桥梁而言，从裂缝控制的角度，要求混凝土具有高强、低收缩、低徐变等特点，因此需要从原材料、混凝土控制指标、施工工艺等多方面，对高强高性能混凝土的配合比进行优化。因素水平：原材料选择、水胶比、水泥用量、粉煤灰、硅粉、砂率、减水剂等。考察指标：主要以强度和收缩量指标为主。另外还需综合考虑坍落度、初凝时间、终凝时间、成本等。通过试验，在保证强度的前提下，以混凝土的收缩量为主要指标，进行混凝土的的配合比优化，从而配制出高强度、低收缩的混凝土。20/502、混凝土施工工艺控制从原材料质量、混凝土拌制运输、浇注方法、浇注顺序、振捣方式、养护方式、施工周期等方面，重视施工精度、施工质量、施工工艺对箱梁裂缝的影响，严格模板支立、钢筋绑扎、混凝土浇注、混凝土养生、拆模时机、现浇节段界面处理、施工龄期等施工工艺的控制措施。特别要注重混凝土原材料控制和混凝土养生工艺，要针对高标号混凝土的特点，采用适当的养生方法。对于高强混凝土，早期养生是减少混凝土收缩、避免开裂的关键。在混凝土浇注后即开始喷雾补水养生，待混凝土初凝后，进行洒水覆盖养生。21/503、纵向预应力筋施工工艺控制（1）通过试验测定长钢绞线的摩阻损失，确定实际有效的预应力吨位和预应力筋的延伸量，为预应力效应的计算提供准确参数。（2）管道安放定位：按照设计文件或施工规范的要求，重视钢束的定位精度，曲线管道处加密定位钢筋，防止钢束成折线形，确保预应力钢束的保护层厚度达到设计的要求。4、竖向预应力筋施工工艺控制在竖向预应力施工中，可先通过模拟现场施工的方法，测试竖向预应力钢筋在锚固过程中的应力损失情况，制定出张拉、锚固的施工工艺，达到控制竖向预应力筋应力损失的目的。在竖向预应力张拉时，可采用专用数显扭矩扳手施加一定扭矩，扭矩的大小由试验确定，以此作为实际施工的控制值。22/505、墩顶横隔梁裂缝墩顶横隔梁的过人洞附近易发生开裂，尤其过人洞附近开裂严重。分析表明，墩顶横隔梁开裂主要与混凝土的收缩有关，当横隔梁内混凝土收缩时，由于受到顶板、腹板和底板的约束，在横隔梁内将产生很大的横向和竖向拉应力，从而导致混凝土的开裂。同时，其他节段引起的内力、温度梯度、预应力等也是导致横隔梁开裂的原因。与普通钢筋混凝土构件允许出现裂缝不同的是，钢筋混凝土构件的裂缝可以控制在一定的限度内，而横隔梁的裂缝是不断发展的，不能将其作为钢筋混凝土构件看待。尤其是墩顶横隔梁，不但要承受强大的支座反力作用，还起着提高墩顶箱梁整体刚度的作用。因此，必须采取措施避免开裂的发生。23/50在横隔梁内设置横向及竖向预应力是避免这类裂缝的有效措施。在黑龙江省齐甘公路嫩江桥主桥的墩顶横隔梁内，经过分析，共设置了12束9

j15.24横向预应力筋，以及30根25mm精轧螺纹钢筋作为竖向预应力，较好地控制了裂缝。24/506、顶板纵向裂缝在很多桥梁中，尽管设置了横向预应力，但顶板内仍然产生了顺桥向的裂缝。该裂缝与温度、混凝土收缩徐变、活载等有关。（1）节段间龄期不同导致的混凝土收缩差影响。后浇注节段的混凝土收缩要大于先浇注节段，因而先浇注节段对混凝土的横向收缩变形有限制作用，导致后浇注节段产生横向拉应力。该因素是引起顶板纵向裂缝的主要原因。其特点是，在节段接缝处横向拉应力最大，在节段末端为零。因此，开裂一般发生在节段间接缝处，而后逐渐减小。（2）桥面板升温作用。桥面板升温时，在顶板下缘产生拉应力作用。这也是顶板下缘产生纵向裂缝的主要原因之一。（3）纵向束平弯的影响。纵向钢束常在顶板内平弯，平弯产生横桥向分力。由于顶板较薄，又受到孔道削弱的影响，因此在钢束平弯范围容易产生顺管道方向的纵向裂缝。（4）横向预应力束曲线形状的影响。横向束一般为直线，在顶板中心位置，其附加弯矩对顶板的横向受拉不利。25/50顶板纵向裂缝防治措施：加强横向普通钢筋：顶板上、下缘所有横向筋，以及翼缘板下缘的横向钢筋，采用

12或

16，纵向间距：在后浇节段接缝处100~200cm范围内采用8~10cm间距，其余采用10~15cm间距。改变张拉时机：在同一个节段内，张拉完纵向束后，随即张拉横向束。设置横向预应力时，需要充分考虑混凝土收缩差及桥面板升温作用，适当加大横向预应力。对于常用断面，建议采用4

j15.2钢绞线，间距50cm。将横向束由直线改为曲线，但作用不大，且导致施工不便，不建议采用。26/507、底板纵向裂缝当箱梁截面较宽时，底板易出现顺桥向开裂现象。该裂缝属于贯穿底板的通透性裂缝，主要原因如下：（1）节段间龄期不同导致的混凝土收缩差影响，这是底板产生纵向裂缝的最主要原因。特点是，在节段接缝处横向拉应力最大，在节段末端为零。因此开裂一般发生在节段间接缝处，而后逐渐减小。（2）当节段混凝土产生收缩时，在挂篮底模与混凝土间存在横向摩擦力，导致底板内产生横向拉应力。（3）其它如桥面板升温作用、纵向束平弯横向分力、横向预应力张拉、活载等，对底板产生的横向拉应力较小，不是主要影响因素。一般仅在底板的上缘和下缘配置两层横向钢筋，中间为素混凝土。当底板受到横向拉力时（接近于轴向受拉），将首先在没有钢筋的区域开裂（底板中间部位），然后该裂缝向底板上缘和下缘扩展，最后形成通透性的贯穿裂缝。27/50底板纵向裂缝防治措施：在混凝土收缩差作用下，底板近似于轴心受拉，可采取如下加强措施：底板上、下缘所有横向筋，其纵向间距：后浇节段接缝处100～200cm范围内采用8~10cm，其余采用10~15cm。根据底板厚度，在底板上、下层钢筋网中再增设1～2层钢筋网，以提高底板抵抗横向拉应力的能力。如：1、2号节段底板较厚，可在底板中间增加两层钢筋网。其它节段底板较薄，可在上下两层横向钢筋，增设一层横向钢筋，钢筋规格及间距与上下层钢筋相同。28/508、腹板顺管道方向裂缝腹板易出现顺管道方向的裂缝，尤其是在预应力束的弯曲段，主要与预应力束竖向下弯分力、混凝土收缩等有关。纵向预应力束在竖弯时产生的竖向分力作用，是腹板沿管道开裂的主要原因之一。节段间龄期不同导致的混凝土收缩差，使腹板产生沿梁高方向的拉应力，也是导致其水平开裂的主要原因之一。另外，张拉顶板横向束、节段混凝土的整体收缩、纵向腹板束张拉时其垂直方向由于混凝土泊松比影响，均在腹板内产生横向拉应力。由于管道对腹板的削弱作用，当上述因素共同作用时，将首先在管道竖弯处开裂。29/50分析发现，最大拉应力发生在管道的侧壁处。当该拉应力超过混凝土抗拉强度时，将产生开裂现象。但是，由于管道周围并无钢筋，不能对裂缝形成有效的抑制作用，因此，裂缝将从管道壁腹板内侧和外侧扩展，最终使腹板形成通透性的贯穿裂缝。由于该裂缝是从管道壁开始向外发展的，仅靠外侧的一层

5冷轧带肋钢筋焊接网无法拟制裂缝的产生；另外，腹板内的

16箍筋也不能有效地拟制裂缝。30/50为防止腹板下弯束产生顺筋方向的裂缝，除采取可靠的施工工艺保证竖向预应力束的有效压应力外，尚需要对腹板的普通钢筋进行局部加强。设置形式如下：① 腹板箍筋纵向间距：后浇节段接缝处200cm范围内采用8~10cm，其余采用10~15cm