箱梁桥裂缝影响因素分析

杨健1梁安东2周鹏3

杨健1梁安东2周鹏3（1、2.南京市公路建设处2100083.江苏省交通规划设计院股份有限公司210005；)

摘要：结合工程实桥的裂缝观测、有限元分析结果，系统研究了预应力混凝土连续箱梁桥的裂缝型式与成因、修复与加固措施，提出了防裂设计建议。

关键词：桥梁工程；预应力混凝土连续箱梁桥；有限元法；裂缝成因

Boxgirderbridgecrackanalysisofinfluencefactors

YangJian1LiangAnDong2ZhouPeng3

(1,2.Nanjinghighwayconstructioninjiangsuprovince2100083.Trafficplanningdesigninstituteco.,LTD.)210005

Pickto:combinedwithengineeringrealbridgefractureobservation,finiteelementanalysisresults,thesystematicstudyofprestressedconcretecontinuousboxgirderbridgecracktypeandcause,repairandreinforcementmeasures,putsforwardtheanti-crackingdesignproposal.

Keywords:bridgeengineering;Prestressedconcretecontinuousboxgirderbridge;Finiteelementmethod(fem);Crackcauses

0引言

预应力混凝土连续箱梁桥在广泛应用的过程中，由于设计和施工等各种原因，经常出现不同性质的裂缝，破坏了桥梁美观，影响了桥梁结构的承载安全性与使用耐久性。裂缝型式按成因分类可分为收缩裂缝、徐变裂缝、温度裂缝、弯曲裂缝、剪切裂缝、弯剪裂缝、扭曲裂缝和局部应力裂缝等。按外在表现形式分为：腹板裂缝、顶板裂缝、底板裂缝。其中的弯曲裂缝是混凝土构件受弯矩作用产生的弯曲正应力超过混凝土的抗拉强度后出现的垂直裂缝。在箱梁中，正弯矩的弯曲裂缝将贯通底板宽度，严重时会延伸至腹板中。在分段式施工的箱梁中，弯曲裂缝一般出现在接缝内或接缝附近。在支座附近区域，剪切作用与弯曲作用叠加，在初始竖向开裂后，主拉应力会使腹板中产生倾斜裂缝。

1裂缝成因分析

引起箱梁开裂的因素很多，涉及到很多方面，有些裂缝是几种因素综合作用的结果。有预应力因素（纵向、竖向、横向）、箱梁因素（剪力滞、翘曲、畸变、扭转）、荷载因素（收缩徐变、支座沉降、温度梯度、动荷载）、构造因素（梁高、孔跨布置、腹板厚度、横隔板设置）等。以下对两座出现典型裂缝的桥梁进行有限元分析，探寻预应力混凝土连续箱梁桥产生裂缝的原因，找出影响箱梁开裂的相关因素。

1.1工程概况与建模

桥例一主孔为56+80+56米单箱双室变截面连续梁，为双幅桥。支点箱高5m，跨中箱高2.4m，单幅桥宽16.25米，单向三车道。设计荷载为汽-超20，挂-120。箱梁采用三向预应力结构，纵向预应力筋为标准270K级的高强低松弛钢绞线（MPa）,OVM15-7锚具；横向预应力筋为高强碳素钢丝（MPa），弗氏镦头锚；竖向采用精轧螺纹钢（MPa），YGM-32锚具。箱梁混凝土标号C50。

计算模型采用空间折板结构，有限单元采用平面应力与弯曲复合的板壳元，每个节点6个自由度。全桥划分为5893个节点，6112个单元。空间有限元模型见图1。

图1空间有限元模型（部分）

1.2计算结果与参数分析

1.2.1预应力因素

通过该工程桥梁的平面与空间有限元的分析[1]，表明：

（1）腹板剪应力受中间支座负弯矩区段预

应力筋布置方式（直线束或弯起束）影响不大。

（2）竖向预应力大小对腹板剪应力没有什么影响，但对全桥范围内腹板主拉应力均有影响。计算结果表明：不计竖向预应力作用与计入50%设计张拉控制力相比，腹板主拉应力一般增大一倍左右。当腹板竖向有效预应力由50%设计张拉控制力减小为30%张拉控制力时，第一主应力（压应力）减小40%。

（3）中间支座负弯矩预应力筋布置方式对该预应力筋作用范围内的腹板主拉应力影响很大。直线布束与弯起布束相比，腹板主拉应力增大33%~268%。但布束方式对边墩现浇段腹板主拉应力影响不大。

1.2.2箱梁的剪力滞效应与畸变应力

通过一些桥例的平面有限元与空间有限元的计算数值比较[2,3]，可以看出：

（1）剪力滞效应严重地受到宽跨比、梁高比、荷载类型及截面位置的影响，宽箱梁的剪力滞效应比窄箱梁严重；而横截面悬臂长度、腹板倾斜程度等截面几何参数对剪力滞效应的影响不大，可以用矩形截面来代替梯形截面进行剪力滞分析。

（2）对于翼缘净悬出宽度与跨径之比小于0.05的连续箱梁桥，剪力滞效应对结构的影响并不明显，设计时可不考虑翼板有效宽度的折减。

（3）集中力作用处剪力滞效应与其它截面相比明显增大，有效宽度沿全桥跨长方向并不是同一个值。

在反对称荷载作用下，箱形截面将发生扭转。在约束扭转时，正截面上产生约束扭转正应力。如果箱壁尺寸较小，而横隔板又非常薄弱，则箱形截面在横截面内将产生畸变。因截面变形而产生的附加应力可能等于纵向挠曲所产生的应力，而横向应力则可超过挠曲应力的几倍。

1.2.3箱梁桥的构造因素

（1）关于边跨与中跨的比例

边跨与主跨比例配置是否适当直接影响到结构受力的合理性。若边跨与主跨跨径之比太大，在恒、活载作用下，边跨的现浇段部分会出现较大的主拉应力，易使混凝土开裂，边跨加载对中跨箱梁的结构受力也不利。若边跨与主跨跨径之比过小，则边跨支点可能会出现向上的拉力，同时连续梁各跨的刚度会有较大的差异。

（2）横隔板的设置

作为设计上的安全储备或构造要求和弥补平面计算分析不足，应该设置。通过连续箱梁桥的有限元分析，表明在支座处设置横隔板有利于减小支点负弯矩。

（3）腹板

腹板厚度的变化对截面应力状况的变化非常敏感。当腹板厚度稍有增加，截面的正应力、剪应力和主拉应力均有良好的改善。

2防裂设计建议

预应力混凝土连续箱梁桥的设计和构造除了应认真研究现行公路桥梁设计规范以外，还要结合设计经验和桥梁开裂的教训，借鉴钢桁梁桥抗剪构造和箱梁桥裂缝加固比拟法，理解钢筋混凝土结构的配筋原理，参照国家有关部门制定的相关标准和国外相关设计规范和构造建议。

2.1预应力钢筋的设置

2.1.1腹板预应力束的布置

纵向预应力束的配置目前有两种做法：传统的曲线配束与便于施工的直线配束。传统的纵向预应力配束方案是根据受弯梁的弯矩包络图设计的，即根据不同应力状态下梁的破坏形态设计。这种传统的纵向预应力配束方案符合受弯梁的力学规律，也经历了实践的考验。

配合弯矩图来布置预应力钢束是一种合理而有效的布束方式。布置的下弯束和起弯束一般为腹板纵向钢束，而且多数是使用阶段所需的钢束，此类钢束是通过腹板预应力容易达到全断面均匀分布，而且是克服剪应力的最有效和合理的布束形式。

2.1.2顶板预应力束的布置

在顶板布置足够数量的纵向预应力束，使在底板预应力束张拉之前，整个箱梁体，尤其是腹板，具备了较强的压应力储备，这样在底板预应力束张拉时，只要张拉预应力不超过压应力储备，在顶、底板锚头之间就不会出现拉力区。

针对受力要求，为了尽可能减小断面或加大悬臂及箱内跨径，顶板还应布置横向预应力束。虽然横向预应力过大也会对纵向有效正应力带来一定的卸载作用，但横向预应力是克服纵向裂缝最有效的办法。合理设置横向预应力钢束是防止纵向裂缝出现与发展的有效途径。

2.2非预应力钢筋的配置

预应力混凝土连续箱梁桥中，除合理配置预应力束外，还应设置一定数量、位置适当的非预应力钢筋。在预拉区设置非预应力钢筋，一方面可以防止施工阶段混凝土收缩裂缝和温差裂缝的产生，承受预应力张拉过程中产生的拉应力，提高使用阶段桥梁结构的抗裂能力；另一方面对箱梁裂缝宽度的控制也起着重要作用。普通钢筋的直径不宜大于12mm（光面钢筋）或14mm（螺纹钢筋）。同时要按构造要求配置架立筋和预应力的定位筋，在箱梁腹板两侧需要设置防缩钢筋，在锚头和支座承压部位需要设置防裂钢筋。

3结语

箱梁桥裂缝的影响因素是多方面的，对于防止裂缝产生的方法只有从设计和施工两个方面去考虑，从构造，配筋，钢束的张拉，混凝土的振捣，浇筑等方面去研究和考虑，就能有效地防止裂缝在施工和运营的过程中产生，保证桥梁结构的整体安全性。

参考文献：

[1]彭卫,邢鸿燕,柯善刚.PC连续箱梁桥裂缝控制研究[J].浙江工业大学学报,2003,31(1):22-29.

[2]湖南大学土木工程系,中交公路规划设计院.混凝土桥梁裂缝成因分析研究报告[R].1998.

[3]彭卫,邢鸿燕,张新军,施颖.预应力混凝土连续箱梁桥裂缝防治与研究科研报告[R].浙江工业大