摘要：预应力混凝土现浇箱梁具有较好的整体结构以及跨度范围大等优势，因此广泛的应用于高速公路工程中。预应力混凝土箱梁裂缝是工程设计、材料、环境、施工和使用维护过程中关注的问题。针对预应力混凝土箱梁裂缝问题，分析结构裂缝产生的原因及裂缝的防控措施。
关键词：桥梁工程；预应力混凝土；箱梁；裂缝防治
中图分类号：TU723
文献标识码：A
引言
预应力混凝土箱梁结构因使用预应力材料、高强度高性能混凝土，充分发挥材料的性能，具有良好的抗弯、抗剪和抗扭能力，不仅结构的刚度大、跨越能力强，整体性能好等优点，在铁路、公路桥梁工程中得到广泛应用。因前期设计和施工的不足,或者在后期的荷载作用下,大量箱梁在施工阶段或后期运营中会出现许多不同性质的裂缝。使得桥梁的结构安全性及耐久性有所退化。只有找准裂缝形成原因，采取有效控制措施，及时处置，才能确保桥梁的施工和营运安全。
目前桥梁工程中预应力混凝土箱梁的使用范围广，有简支箱梁，现浇箱梁，大跨径连续梁等，箱梁桥结构裂缝的形成原因，涉及设计计算、施工工艺、养护管理、材料性质、环境条件等方面。结合本人在叙大铁路大田湾特大桥48m现浇箱梁、连乐铁路九峰岷江特大桥跨航道100m+3*180m+100m连续梁、跨越主干道54m+96m+54m连续梁、移动模架26*40m现浇箱梁、连乐铁路跨越高速公路连续梁等工程项目的施工管理经验。针对预应力混凝土箱梁裂缝的形成原因和防治措施进行总结。
1 预应力混凝土箱梁裂缝的成因与按荷载的关系分类
预应力混凝土箱梁桥裂缝产生的原因是多方面的，且多种因素相互耦合，从裂缝宽度、长度、深度以及分布区域，结合施工方案和设计图进行综合分析，但裂缝的形式和发生的位置还是有规律可循的。根据裂缝的产生是否与荷载有关，将箱梁桥的裂缝划分为荷载裂缝和非荷载裂缝两大类。
1.1 荷载裂缝；按照引起裂缝的内力类型不同，箱梁桥的荷载裂缝主要包括受弯、受剪和受扭裂缝。
1.1.1 受弯裂缝和受剪裂缝；预应力混凝土箱梁型桥可以分为简支梁桥和连续梁桥两大类。对于简支梁桥，在弯矩作用下，当跨中附近截面底部受拉边缘的拉应力超过混凝土的抗拉强度时，就会出现受弯裂缝；在剪力作用下，当支座附近腹板剪应力引起的主拉应力达到混凝土抗拉强度时，就会出现大致为45o 方向的腹剪斜裂缝；在弯矩和剪力的共同作用下，剪跨区开始出现的受弯裂缝就会逐步发展成为弯剪斜裂缝。受荷载作用的连续梁桥，不仅各跨的正弯矩区段会出现受弯和受剪裂缝，且各中间支座的负弯矩区段也会出现受弯和受剪裂缝。箱梁的桥面都带有悬挑翼缘板，受桥面不均恒荷载作用，翼缘根部附近将因弯矩和剪力作用而产生受弯与受剪裂缝，
1.1.2 受扭裂缝；预应力混凝土箱梁桥不可避免地受到的桥面不均恒偏离桥梁纵轴线的荷载，使箱梁受到扭矩的作用。箱梁翼缘部分的荷载对翼缘的受力来说只是弯矩和剪力，但对箱体而言，翼缘的弯矩就是沿梁纵轴方向分布的线扭矩，翼缘的剪力就是沿梁纵轴分布的线荷载，使箱梁同时受到弯矩、剪力和扭矩的共同作用。扭矩作用引起的裂缝通常是螺旋式的斜裂缝。裂缝通常与梁轴的夹角约为45o，裂缝与梁的配筋有关。
1.2 非荷载裂缝；预应力混凝土箱梁的非荷载裂缝主要包括收缩裂缝、温度裂缝和其它裂缝等类型。
1.2.1 收缩裂缝；收缩裂缝可能发生在箱梁结构的任何部位，通常发生在混凝土强度形成的早期阶段，特点是裂缝宽度较细，纵横交错，且呈龟裂状的表面裂缝。收缩裂缝虽然不会立即影响结构的安全，但对耐久性危害很大；主要是混凝土硬化过程中的水化收缩变形和由于混凝土温度降低引起的收缩变形，若混凝土产生收缩应力大于其抗拉强度时就会引起开裂。
1.2.2 温度裂缝：温度应力是箱梁桥在设计和施工阶段特别关注的问题。引起温度裂缝的主要原因包括年温差、日照、气压和骤然降温等方面，在施工阶段水化热是不容忽视。因大跨度预应力混凝土连续梁桥在桥墩部位的箱梁底板厚度一般都在1.0m以上，属于大体积混凝土，而且混凝土强度等级较高，单方水泥用量大。在施工阶段，如果没有采取有效的措施降低混凝土初段水化热，混凝土内部的温度就很高，甚至高达70℃以上。混凝土的内外温差很容易超过20℃，从而产生温度裂缝。
1.2.3 其它裂缝；其它原因引起的裂缝还有很多，比如与预应力钢筋有关的裂缝、与边界约束条件有关的裂缝、与施工方案或结构设计不当有关的裂缝等。
2 预应力混凝土箱梁裂缝的成因与所在部位进行分类
通过对结构裂缝形式和状态的调查可以发现，目前预应力混凝土箱梁桥结构裂缝的产生位置和形式具有一定的规律性，可以推断导致该类结构裂缝的影响因素也具有一定的稳定性。因此从裂缝产生的部位对裂缝进行划分, 将箱梁桥的裂缝划分为腹板裂缝、顶板、底板裂缝和横隔板裂缝三大类。箱梁结构的细部裂缝形成原因如下。
2.1 腹板裂缝：预应力混凝土箱梁产生腹板裂缝的主要原因如下：
2.1.1 主拉应力产生的腹板斜裂缝；预应力混凝土连续箱梁桥主要结构斜裂缝均分布于距支座 L/4附件的腹板上，约呈45o分布。出现这种裂缝主要是箱梁桥支座区剪应力过大、腹板抗剪能力不足，以及主拉应力方向抗裂安全储备考虑不充分等因素所致。
2.1.2 锚后拉应力产生的腹板斜裂缝；采用悬臂浇筑法施工的预应力混凝土梁和部分预应力混凝土梁，在悬臂分段浇筑中，锚头往往布置在接缝面。在接缝面与新浇混凝土之间的抗拉强度降低很多，因此在锚固区引起局部高应力而导致发生蠕变。由于这种蠕变，锚头后面将产生拉应力，如果锚后受拉钢筋配置不足，则在锚固区的接缝面就很容易发生裂缝。
后张法构件的锚头局部承压区，在其纵向长度大致一倍梁高端块内，在靠近锚垫板处产生横向压应力，在其他部位则产生横向拉应力。当锚具的吨位很大时，这种拉应力可能导致构件纵向开裂。端块区域内是主拉应力的高值区，由于上述拉应力的存在加大了主拉应力，可能使构件出现斜裂缝。
2.1.3 连续梁边跨端部腹板斜裂缝；连续梁边跨端部腹板受力比较特殊，应力分布复杂。连续梁边跨端部是在支架上现浇的，此处剪力较大也是局部应力集中区。巨大的支座反力主要是依靠腹板传递。边跨梁端是预应力钢筋集中锚固区，局部高应力引起的混凝土局部徐变也比较大，边跨端部腹板都存在或多或少的裂缝。
2.1.4 竖向正应力产生的腹板水平裂缝；该类裂缝主要发生在边跨支座附近和中跨L/4～3L/4之间，且均位于腹板上缘。对于大跨度混凝土箱梁桥，特别是横隔板较少的箱梁，在荷载作用下箱梁桥会出现截面畸变变形。由于腹板上缘处的剪应力为0，主拉应力方向与腹板竖向方向基本相同，一般在上缘产生水平裂缝。腹板竖向应力作用同样使得在中性轴附近的主拉应力易超过规范的规定而产生斜裂缝。
2.2 顶、底板裂缝：箱梁桥顶、底板的裂缝是由于箱梁桥畸变和横向弯曲产生的，产生的裂缝方向大致与桥轴方向平行。此外，温差或收缩引起的局部应力，使顶、底板的齿板受力，曲线配索的横向受力，预应力筋锚头处局部受力，以及截面分层处和施工接缝处的局部应力都有可能产生严重的局部应力，使顶、底板开裂形成裂缝。
2.3 横隔板裂缝；主要是箱梁桥横隔板孔洞周围放射型裂缝和孔洞之间的竖向裂缝，箱梁桥横隔板孔洞的放射型裂缝主要是由孔洞周围应力集中产生的。通过对主拉应力进行局部的块体有限元分析，采取适当的构造措施，可以避免该类裂缝的产生。孔洞之间的竖向裂缝一般产生于支座处的横隔板区，主要是由支座的反力作用引起，类似于轴向受压杆件在受到轴向压力作用下产生的轴向劈裂裂缝。
3 预应力混凝土箱梁的荷载、细裂缝防治
3.1 从安全角度对于预应力混凝土箱梁桥产生的细部裂缝都比较敏感，箱梁桥出现裂缝并非个别现象，在实际工程中对混凝土原材料的选用和配合比设计、桥梁结构设计、施工和使用阶段均应注意防止裂缝的发生；其中原材料选用、混凝土配合比设计和钢筋配置是裂缝防治的根本；施工技术和日常维护与管理是外因；裂缝防治应综合考虑，只有正确的认识，才能具体问题具体分析；首先分析裂缝产生的原因、位置、性质和特征，随后分析裂缝对安全、使用和耐久性的影响，最后有针对性地采取决策措施。
3.2 荷载裂缝的防治：首先需要有正确反映结构受力的理论计算模型，然后考虑各种最不利受力工况的内力计算，最后通过配筋设计和合理的构造措施来解决。受弯裂缝通过正截面承载力和抗裂计算来确定纵筋用量，并合理配筋来解决；受剪斜裂缝通过斜截面受剪承载力计算和主拉应力验算、确定箍筋和弯起筋用量并合理配置来解决；受扭裂缝虽然也是斜裂缝，但是要使结构能有效地抵抗扭矩产生的剪应力，只有箍筋是不够的，必须配置相应的纵向钢筋。箱梁作为一个整体结构，虽然钢筋用量是按照弯矩、剪力和扭矩作用分别计算的，但配筋时应将纵筋和箍筋用量综合起来再配置钢筋，同时必须考虑抗扭纵筋布置与抗弯纵筋配置位置要求不同的影响。
3.3 对非荷载裂缝；主要通过控制施工质量和合理构造配筋来预防和控制裂缝发生。工程实践证明，施工质量好可避免非荷载裂缝；合理配筋可以限制裂缝宽度，防止诱发其他裂缝；而结构荷载裂缝，只有通过科学计算确定合理结构尺寸，并合理配置预应力束和非预应力钢筋才能防止。其中温度、收缩、局部受力都是不可忽视的重要因素，最有效的解决办法就是以增加非预应力钢筋和降低预应力束位置来减少裂缝宽度，特别是顶底板水平纵缝，应重视箱梁的横向分析和配筋。即使很难抗裂也可限制裂缝宽度，保证结构正常使用。至于裂缝宽度限值，除了与环境、材料相关外，还应与混凝土保护层厚度密切相连。
3:4 箱梁的腹板、顶板、底板、横隔板细部裂缝防治：
只有加强方案管理、模板支架、钢筋和预应力筋、混凝土、养护、预应力施工过程监督与质量管理，保证箱梁端部、锚固区、腹板、顶板、底板、横隔板等重点部位的施工质量满足设计要求，才能控制进而消除配筋混凝土梁发生裂缝。预应力混凝土箱梁桥的裂缝还要受到预应力钢筋的布置、张拉控制应力和锚固方式的影响。纵向预应力筋的布置方式和竖向预应力大小对腹板斜裂缝的影响较大，腹板主拉应力对竖向预应力大小和桥梁的超载情况较为敏感。为了防止腹板斜裂缝的出现，还应注意竖向预应力钢筋的配置，并加强日常管理，尽量防止桥梁超载运行。
3:4 裂缝防治的工程措施；设计时应配置合理的预应力弯筋束和足够数量的非预应力钢筋，使箱梁桥的工作状态始终处于一定压应力状态，避免出现拉应力区；使箱梁截面具有足够强度，以承担外部设计剪切荷载，而不致超过其受剪承载力。应注意箱梁结构尺寸的合理性和非预应力钢筋配置不够带来的危害，必需的腹板厚度和必要数量的非预应力钢筋对于限制裂缝宽度非常重要。
4 结束语
虽然预应力混凝土箱梁桥的开裂原因非常复杂，但根本原因还是混凝土受到的拉应力超过其抗裂强度极限。因此预防裂缝产生的措施就是围绕减小混凝土所受的拉应力来进行的。裂缝不仅影响预应力混凝土箱梁桥结构的美观、正常使用和耐久性，而且影响结构的承载力。为从根本上解决预应力混凝土箱梁桥的裂裂问题，应从总体、细部、运营方面做好防裂缝措施：
总体防裂：从三维的角度分析桥梁的内力和混凝土的徐变与收缩效应，分别对纵向、横向和竖向预应力钢筋的布置和预应力损失的计算进行研究，建立更加符合实际的理论计算模型；优化结构方案和配筋，提高桥梁设计的总体水平。细部防裂，应从原材料选用、配合比设计、施工组织、重点部位和薄弱环节的过程监控，加强管理提高工程整体质量。加强混凝土的养护，预应力张拉控制，防止早期裂缝出现。 运营管理：应注意桥梁日常维护、重点部位检查、定期健康监测，并严格控制车辆超载，做到合理使用，提高结构的耐久性。
参考文献
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