預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁常見病害分析及設(shè)計(jì)對策

喬晉飛

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院，天津 300142)

近年來許多預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋在運(yùn)營過程中出現(xiàn)了較多的工程病害，嚴(yán)重影響了結(jié)構(gòu)安全。病害主要表現(xiàn)在裂縫和撓度兩個(gè)方面。引起裂縫的原因是多方面的，從橋梁制造環(huán)節(jié)看，有施工方面的因素，也有設(shè)計(jì)方面的因素。本文著重從設(shè)計(jì)角度研究裂縫，特別是腹板斜裂縫的成因和控制，提出預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁在設(shè)計(jì)計(jì)算及構(gòu)造細(xì)節(jié)方面的技術(shù)措施。

1 裂縫分類及成因

按照裂縫產(chǎn)生的外因主要分為荷載裂縫、溫度裂縫、收縮裂縫和鋼筋銹蝕裂縫。荷載裂縫是指梁體在常規(guī)的動(dòng)靜載作用下，由于混凝土承受的拉應(yīng)力過大而產(chǎn)生的。其特點(diǎn)是裂縫寬度大、長度長。溫度裂縫是指由于溫度的作用，使混凝土發(fā)生熱脹冷縮的變形受到約束而產(chǎn)生的應(yīng)力。大量研究顯示，溫度應(yīng)力常常很大甚至超過活載產(chǎn)生的應(yīng)力，足以造成混凝土開裂。收縮裂縫是由混凝土不均勻收縮引起的，是一種常見的裂縫。其特點(diǎn)是裂縫寬度較細(xì)，縱橫交錯(cuò)，呈龜裂狀，沒有任何規(guī)律。鋼筋銹蝕裂縫是由于混凝土質(zhì)量差、保護(hù)層厚度不足或混凝土開裂等因素，使鋼筋銹蝕，對周圍混凝土產(chǎn)生膨脹力，導(dǎo)致混凝土保護(hù)層開裂剝落。

按照裂縫的力學(xué)特性主要分為彎曲裂縫、剪切裂縫、扭曲裂縫、斷開裂縫和局部應(yīng)力裂縫。彎曲裂縫是由于受彎矩作用產(chǎn)生的，一般是垂直裂縫。剪切裂縫又稱為斜裂縫，發(fā)生在剪應(yīng)力大的位置，主拉應(yīng)力太大是引起此類裂縫的直接原因，所以裂縫與中性軸多呈25°～45°的夾角。扭曲裂縫是構(gòu)件受扭轉(zhuǎn)和彎曲共同作用產(chǎn)生的。斷開裂縫，混凝土構(gòu)件受拉時(shí)截面上產(chǎn)生的裂縫為斷開裂縫。局部應(yīng)力裂縫，是由于局部應(yīng)力過大產(chǎn)生的，主要出現(xiàn)在應(yīng)力集中的部位。

按照裂縫發(fā)生的部位主要分為頂?shù)装辶芽p、腹板裂縫和橫隔梁裂縫。頂?shù)装鍣M向裂縫，反映了正截面抗裂能力不足。造成原因主要有:①縱向預(yù)應(yīng)力損失過大，實(shí)際提供的有效預(yù)應(yīng)力不足。有大量資料證明，實(shí)測的預(yù)應(yīng)力效應(yīng)明顯低于設(shè)計(jì)分析期望值。②實(shí)際發(fā)生的收縮徐變變形超過理論預(yù)測。一方面增大了收縮徐變二次力，另一方面增加了因收縮徐變產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失。收縮徐變值的大小受收縮徐變終極值及其應(yīng)力歷時(shí)影響，也就是說除了對收縮徐變終極值有較為真實(shí)的認(rèn)識(shí)外，對構(gòu)件的受力必須有準(zhǔn)確的估計(jì)，所有的荷載都將影響收縮徐變的大小。③對剪力滯效應(yīng)考慮不夠，截面應(yīng)力峰值超過平均值較多。

頂?shù)装蹇v向裂縫，反應(yīng)了頂板橫向抗裂能力不足。造成原因主要有:①橫向預(yù)應(yīng)力損失過大，實(shí)際提供的有效預(yù)應(yīng)力不足。②橫向預(yù)應(yīng)力位置偏差。由于頂板厚度較薄，既要布置橫向預(yù)應(yīng)力束，又要布置非預(yù)應(yīng)力鋼筋。實(shí)際施工中，橫向預(yù)應(yīng)力鋼束的“偏心距”較難精確控制，一旦偏心距的實(shí)際偏差較大時(shí)，極易在頂板下緣出現(xiàn)縱向裂縫。③縱向預(yù)應(yīng)力橫向平彎徑向力考慮不足。④順橋向預(yù)應(yīng)力過大。在正交向極易產(chǎn)生由泊松比而引起的橫向拉應(yīng)變，甚至沿波紋管的方向產(chǎn)生規(guī)則性的縱向裂縫。管內(nèi)積水銹蝕鋼束，此類裂縫的危害性很大。⑤施工過程中水化熱產(chǎn)生的溫度自應(yīng)力引起的縱向裂縫。

腹板斜裂縫，反映了斜截面抗裂性能不足。腹板主拉應(yīng)力是腹板開裂的主要衡量標(biāo)準(zhǔn)，其計(jì)算復(fù)雜，影響因素眾多，常規(guī)的平面有限元分析軟件很難準(zhǔn)確計(jì)算，是導(dǎo)致腹板斜裂縫產(chǎn)生的主要原因。目前主拉應(yīng)力的計(jì)算都是基于平面的，平面計(jì)算的主拉應(yīng)力值必然小于空間計(jì)算的值。T形、I形梁的空間效應(yīng)不太明顯，采用平面計(jì)算是能夠滿足結(jié)構(gòu)安全的。但對箱形梁來說，特別是腹板間距較大的寬箱，再用平面的概念解決問題勢必產(chǎn)生過大的誤差。

比較表1中各規(guī)范C50混凝土主拉應(yīng)力限值，各規(guī)范之間差異很大，即使是同一系列的《公路規(guī)范》，在2004版和1985版之間差異達(dá)一倍以上。而我國鐵路規(guī)范在兩版之間是相同的，沒有調(diào)整其限值。從規(guī)范的演變看出，公路建設(shè)在過去的十幾年內(nèi)出現(xiàn)的腹板斜裂縫存在普遍性和嚴(yán)重性。而鐵路橋梁卻沒有出現(xiàn)大面積開裂的類似情況。反觀其限值，鐵路規(guī)范限值與公路1985版的規(guī)范大致相當(dāng)，這其中的原因值得深思。與公路箱梁相比鐵路箱梁一般不需要很寬的橋面，腹板之間的距離較小，橫向效應(yīng)對主應(yīng)力計(jì)算影響相對較小。箱寬小的箱梁按照平面計(jì)算出來的主拉應(yīng)力值相對可靠一些，這是鐵路橋梁開裂現(xiàn)象沒有公路橋梁廣泛和嚴(yán)重的主要原因之一，其它原因這里不再詳述。

橫隔梁裂縫，主要是由于支座布置不合理及橫隔梁計(jì)算模型中，外荷載考慮不周造成的。

表1 國內(nèi)各種規(guī)范主拉應(yīng)力限值(混凝土等級(jí)C50)

2 裂縫對撓度的影響

許多橋梁實(shí)例顯示，梁體的下?lián)吓c裂縫開展的程度有密切的關(guān)系，下?lián)献羁斓臅r(shí)刻也正是裂縫大量開展和發(fā)生的時(shí)刻。梁體裂縫對撓度的影響主要表現(xiàn)在:①增加了幾何變形、降低梁體的剛度，致使下?lián)喜粩嘣黾?②開裂斷面處所釋放的能量一部分轉(zhuǎn)移至該截面所配置的鋼筋，另一部分轉(zhuǎn)移至未開裂梁段，導(dǎo)致梁體內(nèi)力重分布，使未開裂梁段的應(yīng)力增大，促使新的裂縫產(chǎn)生;③交變荷載作用使得裂縫不斷擴(kuò)展，撓度不斷增加。

3 設(shè)計(jì)對策

3.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算方面

3.1.1 準(zhǔn)確模擬實(shí)際施工狀態(tài)

計(jì)算中應(yīng)模擬出實(shí)際結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的不利施工狀態(tài)，例如對懸臂施工的橋梁，應(yīng)該模擬出這種施工狀態(tài):該節(jié)段混凝土澆筑完畢，錨固于該節(jié)段的預(yù)應(yīng)力鋼筋尚未張拉，掛籃尚未前移，頂板混凝土無橋面鋪裝受日照正溫差或日照反溫差影響的情況。

3.1.2 荷載組合時(shí)應(yīng)區(qū)分運(yùn)營前后期

運(yùn)營前期，此時(shí)收縮徐變尚未全部完成就與運(yùn)營荷載組合。運(yùn)營后期，此時(shí)收縮徐變均已全部完成再和運(yùn)營荷載組合。有時(shí)是運(yùn)營前期控制，以往習(xí)慣只計(jì)算運(yùn)營后期，可能會(huì)造成漏算。

3.1.3 綜合考慮主應(yīng)力的空間效應(yīng)

規(guī)范中對主應(yīng)力的計(jì)算公式都是針對早期設(shè)計(jì)的I形梁、T形梁而言的，因?yàn)檫@兩種梁式應(yīng)用平面計(jì)算出來的主拉應(yīng)力是可靠的，能夠控制斜裂縫的開展。但是對于箱梁主應(yīng)力計(jì)算并沒有明確的公式。對于箱梁，特別是腹板間距較大的箱梁，橫向框架效應(yīng)對主拉應(yīng)力的影響非常顯著。荷載作用下，箱梁腹板內(nèi)外側(cè)豎向正應(yīng)力σy不是均勻分布的。原來按照平面計(jì)算時(shí)σy還有一定壓應(yīng)力，在考慮橫向效應(yīng)后可能出現(xiàn)拉應(yīng)力，這就導(dǎo)致腹板內(nèi)外側(cè)主拉應(yīng)力有很大差異?？紤]空間效應(yīng)與平面計(jì)算的主拉應(yīng)力，二者的差異主要與腹板之間的距離有關(guān)。其距離越大，差異也越明顯，按照平面計(jì)算的值也就越不可靠。鑒于目前的計(jì)算手段，采用空間實(shí)體單元或板單元模型尚有困難。因此通常做法都是縱向計(jì)算采用平面桿系模型，橫向計(jì)算則按平面框架考慮。實(shí)施的理念是:縱橫分算，綜合考慮。這里特別強(qiáng)調(diào)一下計(jì)算時(shí)必須綜合考慮。

主應(yīng)力計(jì)算時(shí)，除綜合考慮橫向框架效應(yīng)的影響外，還必須重視溫度自應(yīng)力對主拉應(yīng)力的影響。主應(yīng)力計(jì)算公式中，主應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)處由荷載產(chǎn)生的沿縱向的正應(yīng)力計(jì)算公式應(yīng)為公式最后一項(xiàng)σs為沿截面溫度變化的非線性梯度溫度產(chǎn)生的自約束應(yīng)力。此應(yīng)力用截面內(nèi)力是無法計(jì)算出來的，設(shè)計(jì)分析容易遺漏，以至于造成主應(yīng)力計(jì)算值偏小。

斜腹板箱梁抗剪計(jì)算時(shí)，應(yīng)采用腹板垂直厚度，而不應(yīng)取腹板水平截線寬度。這點(diǎn)在以往的主應(yīng)力計(jì)算中也經(jīng)常被忽視。

3.1.4 預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算參數(shù)應(yīng)取規(guī)范容許值的上限

有大量資料證明預(yù)應(yīng)力的有效性實(shí)測值，明顯低于設(shè)計(jì)分析的期望值。其中一個(gè)很重要的原因就是規(guī)范中預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算參數(shù)取值偏低。如管道偏差系數(shù)K，實(shí)測值經(jīng)常比規(guī)范值大6倍左右。K值是反映管道線形平順度的，與施工質(zhì)量有很大關(guān)系，存在很大的變數(shù)。美國橋規(guī)中對K的取值比我國規(guī)范要大。鑒于以上原因，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算參數(shù)均應(yīng)取規(guī)范值的上限。

3.1.5 考慮腹板箍筋雙向受力

對于預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，腹板箍筋既要參與縱向抗剪又要承受橫向抗彎。設(shè)計(jì)中如果把箍筋100%進(jìn)行縱向斜截面抗剪計(jì)算，強(qiáng)度滿足要求，再把箍筋100%進(jìn)行橫向框架計(jì)算也滿足要求。看似所有驗(yàn)算都通過了，實(shí)則不然。箍筋不能在參與一個(gè)方向受力的同時(shí)再100%地在另一個(gè)方向發(fā)揮作用。

3.1.6 重視橫隔梁處的受力分析

以往預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁設(shè)計(jì)中往往重視縱向的平面計(jì)算和橫向框架計(jì)算，對于橫隔梁的分析計(jì)算重視程度不夠。高而短的橫隔梁，一般只有兩個(gè)支座，且支座離腹板較近，橫隔梁一般不控制設(shè)計(jì)。但對于矮而長的橫隔梁，當(dāng)支座距離腹板較遠(yuǎn)，或者個(gè)別腹板下面沒對應(yīng)設(shè)置支座時(shí)，需要特別注意。這時(shí)需要將橫隔梁簡化為工字梁來進(jìn)行計(jì)算。簡化模型的外荷載中不要把腹板傳來的巨大集中剪力漏掉。

3.1.7 局部計(jì)算時(shí)需要考慮預(yù)應(yīng)力徑向力影響

橫向計(jì)算以及鋸齒塊或預(yù)應(yīng)力鋼束彎曲處局部計(jì)算時(shí)，不能遺漏預(yù)應(yīng)力鋼筋彎曲產(chǎn)生的徑向分力對計(jì)算結(jié)果的影響。

3.2 構(gòu)造細(xì)節(jié)方面

3.2.1 合理確定箱室構(gòu)造

前面提到由于箱梁的空間效應(yīng)，平面計(jì)算的主拉應(yīng)力往往低于箱梁腹板實(shí)際產(chǎn)生的主拉應(yīng)力。且二者的差異主要與箱梁腹板之間的距離有關(guān)，箱梁腹板間距越大，按照平面計(jì)算的主拉應(yīng)力值就越不可靠。建議預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁腹板間距不宜太大，當(dāng)需要較寬的橋面時(shí)，可采用單箱多室的箱形截面。梗腋布置在頂?shù)装迮c腹板連接的部位，起均勻過渡力線、增加橫向剛度以抵抗扭轉(zhuǎn)、畸變應(yīng)力。形式上可分為豎承托和橫承托。豎承托對腹板受力有利;橫承托對頂?shù)装迨芰τ欣Ｒ话愣?，受抗剪、主拉?yīng)力控制的宜設(shè)置豎承托;受縱橫向抗彎控制的宜設(shè)置橫承托。對于需要布置豎向預(yù)應(yīng)力的箱梁，其梗腋高度不能太小，避免豎向預(yù)應(yīng)力錨頭空白區(qū)延伸至腹板，導(dǎo)致靠近翼板加腋處的腹板出現(xiàn)主拉應(yīng)力裂縫。

3.2.2 優(yōu)化鋼束布置

預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁設(shè)計(jì)時(shí)不單要重視仿真計(jì)算，還必須進(jìn)行合理的鋼束布置。在許多設(shè)計(jì)圖紙中，經(jīng)常會(huì)看到鋼束隨意布置的現(xiàn)象。預(yù)應(yīng)力鋼束的布置應(yīng)引起高度重視。

頂?shù)装蹇v向預(yù)應(yīng)力鋼束錨固位置應(yīng)盡量布置在靠近截面厚實(shí)部位附近，鋸齒塊應(yīng)盡量與腹板連成一體或靠近腹板。讓錨固力傳至全截面的區(qū)段盡量短，同時(shí)有利于克服剪力滯效應(yīng)。

懸臂施工的變高度箱梁，腹板束下彎錨固角度盡量大一些，分批下彎錨固的腹板束需有前后重疊部分，避免出現(xiàn)沒有預(yù)剪力的空白區(qū)。在梁端需要配置向上彎起錨固的鋼束。

縱向預(yù)應(yīng)力鋼束平彎時(shí)，必須妥善處理平彎與腹板箍筋位置重疊的問題，避免過分削弱腹板抗剪能力。預(yù)應(yīng)力鋼束彎曲處，會(huì)在彎曲平面內(nèi)產(chǎn)生垂直預(yù)應(yīng)力鋼束的徑向分力。在布置縱向預(yù)應(yīng)力鋼束時(shí)應(yīng)盡量避免這個(gè)力對結(jié)構(gòu)局部造成不利影響。

由于橋面板較薄，橫向預(yù)應(yīng)力一般采用扁波紋管。在實(shí)際工程中常用鋼束根數(shù)為4束或5束。其錨圈口的損失，5束大于4束，且比圓錨時(shí)要大，其錨固效率系數(shù)也難保證達(dá)到95%。同時(shí)在穿束過程中也極易糾纏在一起，建議每管內(nèi)不宜超過4束。扁波紋管的高度不宜太小，太小不利于飽滿灌漿和可靠握裹。

豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)布置在腹板中心線上。經(jīng)常會(huì)看到豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋沿腹板布置在一條直線上，以利構(gòu)造和施工。但是對于跨徑較大的箱梁，腹板厚度一般會(huì)設(shè)計(jì)幾個(gè)梯度進(jìn)行變化，且均在腹板內(nèi)側(cè)加厚。因而上述這種構(gòu)造，將會(huì)導(dǎo)致在腹板中存在一個(gè)預(yù)偏心而產(chǎn)生附加彎矩，使腹板內(nèi)外側(cè)豎向正應(yīng)力σy不均勻分布，加劇腹板主拉應(yīng)力裂縫的發(fā)生和發(fā)展。

3.2.3 支座布置

支座布置不合理及橫隔梁計(jì)算模型中外荷載考慮不周是造成橫隔梁裂縫的主要原因。支座應(yīng)盡量靠近箱梁腹板布置。對于單箱雙室的箱梁，橫向應(yīng)設(shè)置三個(gè)支座，分別對應(yīng)三道腹板。

3.2.4 其它構(gòu)造措施

頂?shù)装蹇v向預(yù)應(yīng)力鋼束不應(yīng)在受拉區(qū)同一斷面上集中錨固，避免出現(xiàn)錨后局部受拉裂縫。與腹板連成一體的齒塊，除在頂?shù)装邋^后設(shè)置抗裂鋼筋外還應(yīng)在腹板設(shè)置錨后抗裂鋼筋。箱梁截面縱向普通鋼筋應(yīng)采用小直徑的 HRB335鋼筋，間距不宜超過10 cm，以利于防止混凝土表面收縮裂縫等非受力裂縫的產(chǎn)生。

4 結(jié)論

經(jīng)以上分析研究，提出以下主要結(jié)論:

1)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)全面考慮各種因素，按照結(jié)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)以偏安全的原則編制計(jì)算簡圖，進(jìn)行準(zhǔn)確建模仿真計(jì)算，不遺漏可能的控制工況。

2)保證預(yù)應(yīng)力的有效性對于防止各種裂縫非常關(guān)鍵。設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)選擇準(zhǔn)確的預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算參數(shù)，并適當(dāng)增加預(yù)壓應(yīng)力安全儲(chǔ)備。

3)重視預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的整體構(gòu)造及細(xì)節(jié)處理，采用橫向受力較好的截面形式，盡量減小“空間效應(yīng)”影響。

4)各種預(yù)應(yīng)力鋼束，需要綜合分析，合理布置。保證預(yù)應(yīng)力荷載傳遞勻順，盡量避免應(yīng)力集中。

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