浅谈变截面连续梁质量通病防治

浅谈变截面连续梁质量通病防治

王新

新疆市政建筑设计研究院有限公司新疆乌鲁木齐830000

摘要：桥梁质量通病主要是指在桥梁建设过程中出现的量大面广，普遍存在，且治理具有一定难度的典型病害。这些通病是桥梁建设质量的主要影响因素，也是质量病害防治的重点。本文通过对变截面连续梁一些质量通病成因分析，提出合理的防治技术，达到提高桥梁工程建设质量的目的。

关键词：变截面连续梁；常见病害；成因分析；解决办法

预应力混凝土连续箱梁多采用薄壁箱型截面，这种截面具有较大的抗弯和抗扭刚度，偏心荷载作用下整体受力情况好，而且该截面顶、底板面积较大，上面可以布置较多的预应力筋，并可同时承受正、负弯矩的作用。由于预应力混凝土连续箱梁具有这些技术优点，所以它在中、大跨径桥梁中的应用较为广泛。而大跨度变截面预应力混凝土连续箱梁桥出现腹板斜裂缝的现象已经非常普遍，根据现有的文献，许多学者认为病害的出现与桥梁挠度过大有着紧密的关系，腹板斜裂缝的发展往往与桥梁下挠增大同步发展，因此本文就大跨度预应力混凝土连续箱桥腹板斜裂缝问题以及挠度过大问题共同进行分析。

1．病害调查与分析

在对大跨度预应力混凝土连续箱梁桥病害现状进行统计分析的基础上，对腹板开裂特征的分类、开裂机理与原因等进行了分析，可以得到如下结论性意见：

（1）大跨度预应力混凝土连续箱梁桥出现腹板斜裂缝产生的原因很多，腹板斜裂缝有以下几个特点：①箱梁腹板裂缝一般在L/4跨附近较早出现，数量密集，而后向跨中与支座方向发展；②裂缝开展宽度一般在0.15mm-0.5mm之间，且夏季缝宽较冬季有所增大（增长约20%），较宽裂缝贯透腹板；③裂缝与主轴线成大约45（20~60之间）度角，与主拉应力的方向基本垂直，在结构上呈良好的对称性，通常腹板内侧的数量较多；④通常情况下腹板裂缝不能自动闭合；⑥腹板裂缝常与跨中下挠同时发生。

（2）有三种典型的腹板斜裂缝：一是在中性轴附近发生向上下发展的斜裂缝；二是从顶板与腹板交界处发生而后向下发展的斜裂缝；三是从底板锚固齿板后端发生而后向上发展。由此可见，裂缝形态不同，裂缝产生机理也应该有所差异，第一种是典型的中性轴剪裂缝，而第二种与第三种裂缝应该与桥梁局部锚固构造等有关。

（3）出现挠度过大的桥梁多采用悬臂挂蓝施工的桥梁，因此病害与桥梁结构体系、施工方法有内在联系；挠度过大的桥梁均在腹板出现斜裂缝，并且裂缝与挠度同步发展，因此可进行腹板裂缝成因与挠度过大病害共同分析。所有桥梁腹板的斜裂缝均最先出现连续索锚固区的L/4与3L/4附近，而后向跨中与支座发展，桥梁L/4与3L/4处特殊的受力与结构特点应该是导致桥梁开裂的本质原因。

（4）腹板的受力比较复杂，因此引起箱梁裂缝的因素较多，腹板尺寸过薄、竖弯束布置形式有待优化、竖向预应力损失、预应力设计施工上的偏差、超载效应、温差效应等都可能引起腹板开裂，而在实际工程中往往是这些不利因素组合起来引起腹板开裂。本文对斜向裂缝的主要成因进行分析，特别是对竖向预应力损失进行了重点关注，分析了竖向预应力产生各种损失的机理，并通过数值分析计算证明了竖向预应力损失造成的严重影响。

（5）影响挠度过大的因素主要考虑：混凝土收缩徐变、预应力损失、结构刚度下降（开裂与塑性导致的）和长期荷载变化等多方面原因。影响收缩徐变的因素，连同它们所产生的结果本身都是随机变量，在实验室条件下，计算模式得到理论预测值与实测值的差值变异系数也要达到15%到20%；在大跨度桥梁中预应力损失超过理论预测值已经成为普遍现象。根据多座桥梁的实测数据，并在施工过程中对超过80米以上跨径的预应力桥梁进行实测。此外，大跨度桥梁建设过程中出现超方现象是客观存在的，个别桥梁的箱梁自身超方就可以达到15%，出现超方的桥梁同时出现了腹板开裂现象。

摩擦与偏差系数的实测统计特性

（6）由于收缩徐变模式差异性、混凝土收缩徐变、预应力损失和结构刚度下降以及长期荷载变化等影响因素均是强烈的随机变量，传统的确定性挠度预测模型明显难以准确预测桥梁的长期挠度，尤其对于大型桥梁，由于误差的放大效应，挠度实测值与理论值的绝对差值将更加明显。

导致长期变形的因素不仅仅是单纯的混凝土收缩徐变，预应力损失、结构刚度变化、施工质量、温度效应、混凝土的疲劳特性（完好结构在反复荷载作用下混凝土的强度与弹性模量会明显降低）等都是导致桥梁长期变形的重要因素，但是现有理论对此均没有加以考虑，值得对其继续开展重点研究。

2．防治措施

通过对腹板斜裂缝病害及挠度过大病害的调研和分析，探讨了腹板斜裂缝及挠度过大产生的几个主要原因，实际上预应力混凝土连续箱梁的腹板斜裂缝及挠度过大问题涉及到设计、施工、监理的各个方面的各个环节，因此防治措施需从各方面共同着手，从而达到减少乃至杜绝大跨度预应力混凝土连续箱梁的腹板斜裂缝及挠度过大问题的出现。

2.1设计方面防治措施

2.1.1合理布置桥跨及箱梁截面尺寸

（1）对于预应力混凝土连续梁桥的边跨和主跨比选用是否恰当直接影响到结构受力的合理性。若边跨较长则其整体刚度偏小，在恒载和活载的作用下，现浇段会出现较大的主拉应力，容易发生混凝土开裂；当在边跨加载时对中跨箱梁的受力不利。若边跨与中跨之比过小，则边跨支点可能会出现负反力，使得边墩与边跨受力不利。建议对于大跨度预应力混凝土连续梁边中跨比例大多在0.6～0.7。

（2）无论是斜裂缝还是垂直裂缝，都会导致主梁刚度降低，挠度加大，而挠度增加进一步引起梁体开裂，这两者相互影响形成恶性循环，因此保证梁有足够的正截面强度和斜截面强度是首要的。在选定箱梁截面尺寸时，要注意梁高的因素，高跨比是影响主梁受力的主要参数，适当增加梁高，可以加大主梁刚度，改善主梁应力状态，为避免出现腹板斜裂缝，可以优化主梁梁底线形，适当减小抛物线次数以增加该处截面高度。此外，还应该重视腹板尺寸的优化。如前所述竖向预应力损失或失效对腹板主拉应力的影响很大。概括而言，若不设置竖向预应力钢束或竖向预应力失效，则必须加大腹板厚度尺寸重新设计。这说明与腹板厚度尺寸的选定有一定的关系。

（3）为防治腹板斜裂缝，一方面预应力布束要合理，使腹板剪应力在纵向和竖向预压力作用下产生的主拉应力不致过大；另一方面要保证施工质量，使长度较短的竖向预应力有效值与设计值一致。

（4）为提高腹板斜截面抗裂性，除预应力配束合理外，还要配置一定数量的箍筋与弯起钢筋，如双肢箍筋。并且腹板厚度不宜太薄，对于大跨径箱梁可设计为不小于60cm。在箱梁的顶底板要设置一定数量的分布钢筋。

（5）箱梁横隔板的基本作用是增加截面的横向刚度，限制畸变应力。支座处横隔板还担负着承受和分布较大支承反力的作用。箱形截面由于具有很大的抗扭刚度，虽然目前一些学者认为可减少或不设横隔板，但本文建议从提高箱梁的抗裂能力角度出发可考虑在支座和跨中设置横隔板。

2.1.2优化预应力钢束布置

优化纵向预应力布束方案，加强预应力储备。通过前文的病害调查表明，出现腹板斜裂缝的预应力混凝土连续箱梁，在纵向预应力钢束布置时往往偏重于施工方便的要求，而忽视了对腹板下弯束和边跨现浇箱梁端部一定范围内腹板弯起束的有效利用问题。但工程实践证明：曲线预应力在箱梁腹板斜截面上正好和梁的主拉应力线重合，预应力筋的预压应力刚好可以抵消梁内的主拉应力；只要预应力的锚固良好，弯起或下弯处设计合理，曲线预应力对控制腹板斜裂缝的贡献是非常大的。因此在采用直线束布置方案的同时，有必要在靠近箱梁支点附近的节段内，在腹板内布置部分下弯束，并同时在边跨现浇段端部腹板内布置部分弯起束。在设计时，可以通过合理布置纵向预应力钢束来改善箱梁整体的受力状态；同时建议在边跨箱梁端部将腹板的箍筋适当加密，直径适当放大，这些措施对克服腹板的斜裂缝是十分有效的。

除了改善张拉工艺和加强质量管理外，竖向预应力要慎用，短预应力筋必须进行有效预应力折减。在条件允许的情况下，最好将腹板竖向预应力筋和顶板横向预应力筋并在一起，用同一根预应力筋做成环向或U形预应力筋张拉，这时的预应力筋长度变为2倍竖向预应力筋加横向预应力筋长度，预应力筋长度大大提高，减小预应力损失。

由于理论计算模式和计算结果往往与工程实际情况存在差异，加上一些在设计时难以计入的因素，因此在设计过程中，有必要考虑结构各个截面的应力要有一定的安全储备，以便在设计上带来可靠保证。为了防止大跨度预应力混凝土箱梁桥收缩徐变等时效问题的负面影响，可考虑在梁中预留预备束孔道，等到混凝土的收缩、徐变等问题基本出现完成后再张拉预应力钢束。

2.1.3优化预应力损失计算方法

由于预应力损失计算不准确，也是造成箱梁开裂的主要原因之一。特别是竖向预应力、横向预应力的损失计算，到目前为止，无论是新、旧规范还是其他学术刊物均未见一种比较精确的、符合实际情况的计算方法；再加之，箱梁腹板的竖向预应力钢筋长度一般较短，钢筋伸长量较小，施工时若发生少量的压缩变形，将会产生较大的预应力损失，而且锚固系统和施工操作上也难免会存在一些问题，所以很难保证设计所要求的预应力度。正是由于设计上的不完善和施工中的缺陷，造成竖向预应力损失较大，致使箱梁腹板很容易产生裂缝。横向预应力也存在同样的问题。

2.1.4重视温度应力效应

桥面局部升温或降温将会在结构中引起较大的内力变化，虽然这部分内力不是永久的，但却是不可避免的。若考虑不当，温度应力会造成支点附近和跨中截面的裂缝。即使这些裂缝不至于影响结构的正常使用，但设计时必须给予重视。除了对这些截面进行必要的应力验算外，有必要采取一些构造措施，如在重要截面附近布置一定数量的非预应力钢筋，使得温度应力分布均匀，控制温度应力裂缝的产生或发展。

2.1.5重视箱梁斜截面抗剪强度和抗裂验算

对预应力混凝土连续箱梁进行斜截面抗剪和抗裂验算是必要性，其主要目的是优化腹板的配筋方案，防止腹板斜裂缝的产生。

试验统计表明，工地现场的混凝土抗拉强度离散性是很大的，往往混凝土的抗拉强度只按比较低的85％保证率取值（04规范按95％保证率取值），如果施工不十分重视混凝土质量，或设计也考虑不周全，则实际桥梁的主拉应力超出规范规定值的几率将大大增加，也就很有可能产生腹板斜裂缝。这些都说明对预应力混凝土连续箱梁进行斜截面抗剪承载力和斜截面抗裂验算是十分必要的。

2.2施工控制方面防治措施

施工除了要满足一般的要求外，还应特别重视以下方面：

2.2.1混凝土工程质量控制

（1）严格检测、控制结构尺寸及混凝土的容重，若发现结构实际自重与理论值有较大差异，应对结构重新检算。

（2）必须保证混凝土强度达到设计要求的强度和弹性模量、满足设计规定的加载龄期时再开始张拉预应力钢束。

（3）加强对混凝土配合比的设计、添加剂的控制、混凝土的振捣和养护等，在施工中要控制混凝土的坍落度，尽可能的延长混凝土加载龄期，避免混凝土出现早期裂缝及其他非结构裂缝。

（4）重视施工中对模板定位精度与固定方式，避免施工中的自重的增加，特别是箱梁壁的胀模现象。

2.2.2预应力工程质量控制

（1）各项预应力筋的张拉和灌浆工艺应严格按设计进行，预应力筋孔道定位偏差也控制在规范允许范围内，预应力筋张拉和灌浆时应有质检人员全过程旁站，确保张拉力达到设计要求和孔道灌浆饱满。鉴于采用普通压浆方式对长预应力束管道进行压浆时，常常不能保证管道压浆的密实度，为防止预应力锈蚀的损失，提倡真空压浆工艺术。

（2）重视预应力钢束的张拉力控制，改进预应力钢束的张拉工艺。

（3）控制用于预应力孔道压浆的水泥浆中的氯离子含量。

2.2.3施工控制措施

（1）大跨径连续箱梁桥的线形控制主要采用预抛高的方法，即在建造期间通过设置预拱度来抵消桥梁的长期下挠变形，然而，由于存在各种不确定因素，诸如混凝土材料的变异性、混凝土收缩徐变难以准确计算、预应力损失难以准确计算、预应力管道偏离设计较大等，使得预拱度取多大难以准确确定。鉴于人们对跨中下挠问题的担心，建议预抛高值宁大勿小，一般预抛高值取L/1000～L/500。

（2）完善施工监控措施，以检验并凋整施工过程中的结构反应（位移、应力）与设计值一致。

（3）分段浇筑时，应严格控制底板、腹板和顶板混凝土浇筑相差时间及温差，严格控制合拢段高差。

（4）为防止由温度应力引起的非结构性裂缝，在施工时，应尽量选择温度低的季节浇筑混凝土，热天浇筑混凝土时，应降低水温拌制，选用水化热小和收缩小的水泥及级配良好的骨料，严格控制沙石的含泥量，尽量降低水灰比，合理使用减水剂、加强振捣以减少水化热，提高混凝土的密实性和抗拉强度，大体积混凝土采取分层浇筑的方法，并注意混凝土的养护工作。在立模标高放样中要重点关注梁体温度变化，监控计算应考虑立模时实际温度的影响，对立模标高作出相应修正。

（5）大跨径连续刚构对线形影响较大的因素为混凝土容重、混凝土徐变系数、混凝土弹性模量、预应力束孔道摩阻系数、温度场、混凝土徐变对大跨度连续刚构桥线性影响极为重要，建议进行混凝土梁徐变试验，以选取合适的徐变模式。

（6）重视预应力摩阻损失的影响，并在施工过程中对超过80米以上跨径的预应力桥梁选择典型预应力束进行孔道摩阻试验，以修正计算采用的预应力参数。

2.3运营养护方面防治措施

（1）加强运营管理，尽量避免超载及其他有损桥梁安全的事件发生。

（2）建立长期检测机制，尤其是对200m以上的连续刚构桥（连续梁）要定期检查，若有异常应立即处理。

（3）对于发现桥梁腹板出现裂缝的情况，可考虑采用混凝土加厚补强，贴钢板，施加体外预应力等措施进行维修。对于裂缝微小的腹板以混凝土加厚、贴钢板维修方式为主；对于跨度较大和开裂明显的腹板，通常采用体外预应力来减小或消除主拉应力，然后用贴钢板等进行组合加固。组合加固时，注意相互作用协调，认真分析计算，例如：采用体外预应力和贴钢板组合加固，如果预应力过大，不仅贴上去的钢板基本不能发挥作用，而且增加了预应力锚固区混凝土局部受力负担。

3．结束语

根据国内相关资料，本文总结了变截面预应力混凝土连续箱梁桥腹板斜裂缝与挠度过大病害的现状，归纳了这些病害的形态、位置等特点，阐述了这些病害的严重性与危害性，并分析了腹板斜裂缝与挠度过大病害的相关性。以上述工作为基础，对变截面预应力混凝土连续箱梁桥腹板斜裂缝的主要成因进行分析并提出了相应的防治措施。桥梁的质量通病之所以广泛存在，就在于其原因复杂，治理困难，本文希望利用成因分析及防治措施研究成果研发新方法、新构造、新材料，在实践中不断改进，最终消除桥梁质量通病。

参考资料：

[1]范立础，桥梁工程人民交通出版社，2012；

[2]代征军，变截面预应力混凝土连续梁桥腹板斜裂缝病害分析及处治办法工程与建设，2015；

[3]詹建辉、陈卉，特大跨度连续刚构主梁下挠及箱梁裂缝成因分析中外公路，2005。