７２ 桥梁结构 ＤＯＩ：１０．１６７９９／ｊ．ｃｎｋｉ．ｃｓｄｑｙｌｈ．２０１６．０３．０２１ 城市道桥与防洪 ２０１６年０３月第０３期 连续箱梁桥腹板斜裂缝的技术研究 张西丁，潘志强 （中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津市３０００７４） 摘 要：连续箱梁桥的腹板斜裂缝是近年来箱型桥梁的突出问题，本文围绕箱梁腹板斜裂缝的影响因素和控制措施，从设计和施 工管养两个方面进行了分析，提出了计算模式、腹板厚度、预应力筋布置形式、温度、混凝土收缩徐变、施工不当是影响箱梁腹板斜 裂缝的主要因素，并分别对它们进行了分析，得出了箱梁腹板斜裂缝的控制措施。 关键词：腹板斜裂缝；腹板厚度；预应力筋；温度应力；混凝土徐变 中图分类号：Ｕ４４５．７ ｌ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００９—７７１６（２０１６）０３—００７２—０４ １箱梁腹板斜裂缝简介 １．１连续箱梁桥存在的问题 近年来，我国公路桥梁建设飞速发展，桥梁的 方向垂直。这些斜裂缝不仅会削弱桥梁结构的强 度和刚度，还会加速钢筋锈蚀。而钢筋锈蚀则会引 起体积膨胀，从而使混凝土开裂，破坏混凝土的受 力性能，降低材料的耐久性能和桥梁的承载能力， 设计技术与施工技术日新月异，都已达到相当高 的水平，尤其是预应力混凝土连续箱梁桥得到了 广泛应用。但是，由于预应力混凝土连续箱梁桥在 设计理论方面相对不完善，施工质量存在不同程 度的缺陷，同时运营时经常会出现负荷超载对桥 梁结构的破坏以及养护管理工作不力等，这些因 素的综合作用使得这类已建桥梁大多出现了一系 列病害，这些病害中的一个突出问题是箱梁部位 的裂缝。 在这些已发生的裂缝当中，危害最大的是影 影响桥梁的美观及使用寿命，严重时很可能引起 交通事故。 １．２腹板斜裂缝的表现形式 斜裂缝又称主拉应力裂缝，它是预应力混凝 土箱梁桥中主要的裂缝，与桥梁轴线夹角为２５。～ ５Ｏ。，出现在连续箱梁桥的边孔现浇段、Ｌ／４截面附 近或者梁腹厚度变化区段，而且随着时间的推移 裂缝不断发展，并逐渐向跨中发展，如图１所示。 响结构正常使用或者结构耐久性的箱梁腹板主拉 应力裂缝，该腹板裂缝集中在２５ｏ～４５ｏ，为斜裂 缝，主要出现在连续箱梁桥的边孔现浇段、Ｌ／４截 面附近或者梁腹厚度变化区段。例如，河南省三门 峡黄河公路大桥，该桥建成于１９９３年，仅仅运营 了短短７年，主桥（连续刚构）箱梁很多梁段的腹板 就出现了斜裂缝；风陵渡黄河公路大桥于１９９４年 １１月竣工通车，几年后，主桥（连续梁）箱梁梁体在 一图１预应力连续箱梁桥中跨、边跨腹板斜裂缝示意 些部位出现了不同程度的腹板斜裂缝；黄石长 大量的工程实例调查分析和研究发现，悬臂 节段施工的大跨度预应力混凝土箱梁桥腹板斜裂 缝主要有以下几个特点： 江大桥（连续刚构）于１９９５年竣工，使用一年后便 发现腹板出现斜裂缝；东明黄河大桥预应力混凝 土箱梁在Ｌ／４截面附近梁腹板表面出现与顶板呈 （１）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。 ２５。～５０。的斜向裂缝，大多由顶板与腹板交界处开 始，向下延伸至１／３～１／２梁高处，基本与主拉应力 收稿日期：２０１５—１２—０９ 作者简介：张西丁（１９８９一），男，河北人，硕士研究生，助理工程 师，从事桥梁与结构设计工作。 （２）从竖向发展趋势可以将腹板斜裂缝分为三 种典型类型：ａ．在中性轴附近发生向上下发展的 斜裂缝；ｂ．从顶板与腹板交界处发生而后向下发 展的斜裂缝（最常见）；ｃ．从底板锚固齿板后端发 生而后向上发展的斜裂缝。 ２０１６年０３月第０３期 城市道桥与防洪 桥梁结构７３ （３）裂缝开展宽度一般在０．１５～０．５ ｍｍ，且夏 季缝宽较冬季有所增大（增大约２０％１，较宽裂缝贯 穿腹板。 （４）裂缝与主轴线成大约４５。（２０。～６０ｏ）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。 （５）腹板裂缝不能自动闭合。 （６）腹板裂缝与跨中下挠同时发生。 腹板斜裂缝作为破坏性的结构裂缝，一旦出 现，对箱梁桥的耐久性和运营安全将构成很大的 威胁。腹板斜裂缝尤其是某些贯穿性裂缝的出现， 不仅导致桥梁结构刚度和强度的降低，还会加速 钢筋的锈蚀，而锈蚀的钢筋则会引起体积的膨胀， 从而使混凝土开裂，进一步破坏混凝土的受力性 能，降低材料的耐久性和结构的承载能力。 ２连续箱梁桥腹板斜裂缝的影响因素 对于预应力混凝土腹板开裂现象，国内外学 者和工程师总结了很多影响腹板出现斜裂缝的原 因。实际上，腹板裂缝的成因复杂繁多，有时多种 因素相互影响，每一条裂缝均有其产生的一种或 几种主要原因。总体而言，腹板斜裂缝的产生无外 乎由设计、施工和养护管理两方面引起。 ２．１设计因素 ２．１．１计算模式 现在对连续箱梁桥的计算大多采用平面杆系 模型，较少采用三维实体单元模型。对于宽跨比较 大的桥梁，将空间结构简化为平面结构，则扭转、 畸变效应产生的剪应力不能忽视，以抗弯横向分 布系数代替抗剪横向分布系数也导致误差增大。 此外，对于受力复杂而且集中的区段，往往缺少必 要的手工计算和理论判断。若采用的力学模型与 实际结构不符，则理论计算结果与实际受力情况 偏差较大。斜裂缝通常出现在支点附近，而支点设 置有横隔板、预应力锚头等使构造复杂、受力集 中，更容易使计算偏差过大。 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计 规范｝（ＪＴＧ Ｄ６２－－２００４）对预应力混凝土受弯构件 的计算仅考虑了竖向预应力作用，与结构实际应 力状态有差异。实际上，不仅竖向预应力效应会导 致腹板产生竖向应力，而且存在顶板和腹板上锚 固的纵向索局部锚固效应、横向预应力横向效应、 自重效应、活载偏载效应和温度横向效应等，这些 因素均会导致腹板产生竖向应力，在计算中这些 应力值往往也是不能忽略的。 ２．１．２腹板厚度 腹板厚度采用不同的变化形式，将对主拉应 力产生较大的影响。腹板全桥采用同样的厚度时， 梁根部主拉应力最大，最容易导致腹板斜裂缝。然 而，腹板厚度由桥墩处向跨中变化过快也将造成 比较不利的主拉应力情况出现。因此，必须合理设 计箱梁腹板厚度的变化形式，在腹板内不造成较 大的主拉应力。 ２，１．３纵向预应力筋布置方式 大跨径后张桥梁结构的预应力配筋多为曲线 形式，有些情况下，这种配筋方式会引起混凝土结 构开裂。例如，箱梁底板上的预应力筋在端部弯曲 到腹板上锚固时，将在底板产生拉应力；同样，斜 腹板内的曲线力筋锚固到顶板上后也会对底板产 生横向拉力，这些都容易造成底板的纵向开裂。同 时，曲线预应力筋在径向对混凝土产生的压力能 起到线荷载的作用，从而在与曲线预应力筋平面 垂直的方向上产生拉力即劈裂应力。大跨径桥梁 的主预应力筋产生的劈裂应力是相当可观的，常 常导致混凝土结构出现纵向开裂。通过对设置顶 板下弯钢筋束和不设置顶板下弯钢筋束两种情况 的比较，发现设置顶板下弯钢筋束的腹板主拉应 力明显小于不设置顶板下弯钢筋束的主拉应力。 因此，是否设置预应力顶板下弯钢筋束对控制腹 板斜裂缝的形成有较大的影响。 ２．１．４竖向预应力筋布置方式 腹板斜裂缝出现的常见位置是边跨现浇段、 梁端附近和跨中处，而这些位置的梁高在大跨变 高度梁桥的全桥来看是最小的区段。由于梁高较 小，竖向预应力筋的长度比较短，张拉时高强精轧 螺纹粗钢筋的伸长量有限，如果锚固时稍有不慎， 将造成钢筋回缩量偏大，预应力损失可达近５０％。 此外，竖向预应力筋的布置一般要求顺桥向间距 在０．５～０．７ ｍ，预应力效应从端头按２６。扩散角传 递，在相邻力筋之间会形成预应力的不连续，即预 应力空白区。如果竖向预应力筋间距过大或梁高 过小，则预应力空白区可延伸至腹板上部，可能引 起腹板斜裂缝。 ２．１．５温度应力 在桥梁设计中，目前的习惯是将体系温差和 日照温差（温度梯度）分别考虑，日照温差对混凝 土梁式桥的影响远远大于体系温差。箱梁的温度 梯度的作用，相当于在箱梁上作用一个附加弯矩， 该弯矩增加了腹板的剪应力和正应力，进而影响 主拉应力，所以温度应力对预应力混凝土桥梁设 ７４ 桥梁结构 城市道桥与防洪 ２０１６年０３月第０３期 计的重要性是显而易见的。如果在设计时温度梯 度模式的选取有问题，可能计算得到的温度应力 相差很大，甚至计算结果是异号，这可能导致在结 构设计上出现问题，此时即使是增大温度应力设 计值，也无法保证结构的抗裂性。 计算和实际工程观测表明，温度应力产生裂 缝最多最常见的部位是支座附近和跨中处。这就 要求在设计时应加强支点附近和跨中附近截面在 多种荷载组合下的组合应力验算，特别是主拉应 力的校验，确保控制主拉应力满足规范的有关规 定。与此同时，还需采取一些适当的构造措施，常 规的做法是在验算控制截面附近布置一定数量的 非预应力筋，以使裂缝分布均匀，控制温度裂缝的 发展。 ２．１．６混凝土收缩、徐变 混凝土收缩、徐变是混凝土结构中的基本问 题之一，影响混凝土结构的长期使用性能。现代施 工技术的发展使得钢筋混凝土桥梁结构工程能够 快速地施工，钢筋混凝土受力构件在施工期的内 力，可能等同于或大于结构的成桥受力（如大跨度 连续刚构桥在边跨合龙前的悬臂状态）。由于混凝 土裂缝的出现及其较低的早龄弹性模量，这些结 构（构件）在施工期荷载的作用下会产生较大的瞬 时挠度，同时由于收缩及伴随高强应力而发生的 徐变，结构的时效变形可能会大得无法接受。因 此，在桥梁结构设计中，收缩和徐变的影响是不可 忽视的。徐变带来的应力重分布和预应力损失都 可能导致桥梁运营过程中主拉应力的增大，进而 影响腹板斜裂缝的产生。 ２．２施工和养护管理因素 ２＿２＿１施工组织不合理引起微裂缝 施工组织不合理或不协调常导致梁体产生微 裂缝，这些微裂缝削弱了截面的有效面积，导致裂 缝处的剪应力骤然增大，引起斜裂缝。 （１）混凝土浇筑顺序不当。混凝土的浇筑顺序 对于大跨度桥梁的施工质量至关重要。例如悬臂 施工时，在挂篮上浇筑混凝土由里向外；满堂红支 架浇筑时，从支点到跨中浇筑混凝土。这些不合理 的浇注顺序，由于挂篮和支架不均匀沉降与变形， 会引起初凝的混凝土产生极微小的垂直裂缝。 （２）箱梁底板、腹板、顶板分层浇筑，间隔时间 过久。后浇筑的混凝土因降温收缩等产生的收缩 力，不足以压缩前一层混凝土，从而产生微小差动 裂缝。 （３）模板和底座约束产生差动裂缝。箱梁浇筑 后，腹板两侧的侧模若不及时拆除（曾出现某桥运 营后，发现内模没有拆除），则模板和混凝土问的摩 擦力阻止腹板收缩，引起微小差动裂缝。预制梁若 在底座上存放过久，而没有及时合理存放，则收缩 与徐变也可引起腹板微小差动裂缝。 ２．２．２预应力束张拉 预应力筋张拉时没有达到设计要求的张拉 力。预应力筋张拉力达不到设计值和波纹管就位 时偏离了设计的坐标值，对腹板内力造成不利影 响。预应力筋张拉完毕后，没有按设计要求灌浆，有 时甚至不灌浆，导致预应力筋锈蚀或预应力筋的 有效预应力降低。竖向预应力束通常采用精轧螺 纹钢筋，但一般缺乏严格检查和特殊控制措施，从 锚板、垫板放置到张拉工艺，重视程度也显不足， 回缩及松弛可能使其实际预应力只有设计预应力 的７５％左右。另外，竖向预应力束张拉时间上往往 滞后悬臂预应力束较多，未能使腹板较早呈双向 受压状态，而可能使短龄期的腹板混凝土在较大 悬臂活载及恒载作用下形成“暗伤”。 ２．２．３管理养护 桥梁运营期的管理养护也是影响桥梁病害的 一个很重要方面。这其中需要避免的一点就是运 营期的使用荷载超限。超载是公路交通中普遍存 在的问题，当汽车荷载超载时，活载产生的应力也 会相应增加。如对于（１４６＋２５６＋１４６）ｍ连续刚构 桥，当汽车活载超载５０％时，活载在Ｌ／４位置的腹 板中产生的主拉应力就会增加０．１７６ ５ ＭＰａ（未考 虑扭转效应），如果同时考虑扭转效应，则超载引起 的主拉应力值则达０．３３７ ＭＰａ。 ３连续箱梁桥腹板斜裂缝的控制措施 上文已经从设计和施工运营两个方面就影响 箱梁腹板斜裂缝的因素进行了详细分析，连续箱 梁桥腹板斜裂缝的控制主要集中在这两个方面。 ３．１设计方面 （１）探索合理的箱形桥梁计算模式。采用整体 计算和局部计算相结合的方式来进行箱梁的设 计。对全桥结构内力的分析，可建立平面杆系整体 模型，从整体上把握桥梁结构的受力。对局部受力 不明确的地方，需要建立三维实体结构模型，这样 才能更准确地掌握局部的受力情况。 （２）选择合理的腹板厚度。腹板厚度的变化形 式对主拉应力的影响很大，所以截面腹板厚度的 变化处理方式应慎重考虑，应尽量采用较为缓和 的变化形式。箱梁的腹板厚度不宜太薄，除了应当 满足预应力束管道通过的要求外，还必须有足够 的空间布置普通钢筋。 ２０１６年Ｏ３月第Ｏ３期 城市道桥与防洪 桥梁结构７５ （３）选择合理的预应力筋的布置方式。顶板纵 向预应力钢筋束应设置一定数量的预应力下弯钢 筋束，以提高箱形梁的斜截面承载能力。竖向预应 力筋的间距应根据具体桥型经计算比较确定。在 形式上可采用ｕ形竖向预应力筋，单排或双排交 错布置，这种竖向预应力钢筋束可以增加竖向预 应力筋的拉伸量、减少锚头数量以及减小预应力 空白区。 力达到设计要求。一般采用分束张拉大吨位群锚 的张拉工艺才能保证各根钢丝或钢绞线受力均 匀。 （６）加强桥梁运营期间的养护管理。定期对桥 梁的结构进行检查，发现问题及时解决，使桥梁的 结构状态保持良好。 ４结语 本文从设计和施工管养两个方面对箱梁腹板 斜裂缝的影响因素和控制措施进行了分析，得出 了计算模式的选择、腹板厚度、预应力筋布置形 式、温度、混凝土收缩和徐变、施工等是影响箱梁 腹板斜裂缝的主要因素，并对它们一一进行了分 析，得出了箱梁腹板斜裂缝的控制措施，对连续箱 梁设计和施工具有一定的指导意义。 参考文献： （４）合理布置非预应力筋。箱梁骨架钢筋设计 时，应考虑箱体的顶板、底板共同参与抗弯、抗压、 抗扭、抗剪作用，骨架钢筋不宜多而杂。通常情况 下，骨架每肋以３～４排为宜，主筋的重叠最好不超 过３排。在箱梁腹板内应设置一定数量的箍筋ｆ如 双肢箍筋）和弯起钢筋，可以降低箱梁的纵向预压 应力，避免出现纵向裂缝，减小反拱度，改善结构 使用性能。 （５）考虑温度、混凝土收缩和徐变的影响。现 在大多数设计软件都能考虑温度、混凝土收缩和 【１】陈梅。大跨径预应力混凝土箱梁桥腹板斜裂缝研究【Ｄ】．西安：长 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万兴路隧道工程起于建新西路三期，终于兴竹路，与北滨路基本平行，长约ｌ ０４８ ｍ，是一条城市主干 路，双向６车道，总投资约３．６８亿元，项目于２０１５年８月开工建设。目前，隧道外土石方已完成９０％，左 线隧道开挖完成２００ ｍ，各项工作按计划推进，预计２０１７年底实现完工投用目标。 万兴路是位于观音桥商圈南侧区域的东西向城市主干路，西接建新西路四期终点，向东止于渝澳大 桥下的华福路，依次分为万兴路隧道段、万兴路兴竹路至金源路段、万兴路金源路至华福路段。此前，兴竹 路至金源段、金源路至华福路段已完工投用，唯有万兴路隧道段尚未建设。