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探析預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁裂縫成因
摘要：隨著混凝土箱梁結(jié)構(gòu)在橋梁設(shè)計(jì)中的不斷推廣和應(yīng)用，該橋型在施工和使用過(guò)程中已出現(xiàn)了許多裂縫，本文通過(guò)閱讀大量的文獻(xiàn)和資料，總結(jié)了混凝土箱梁裂縫產(chǎn)生的原因。
關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力；混凝土箱梁；裂縫
1使用混凝土箱梁的優(yōu)點(diǎn)
在已建成的大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋中，當(dāng)跨度超過(guò)40m后，橫截面大多采用箱形截面。其主要優(yōu)點(diǎn)是：
①箱形截面是一種閉口薄壁截面，其抗扭剛度大，截面效率指標(biāo)較T形截面高，結(jié)構(gòu)在施工和使用過(guò)程中都具有良好的穩(wěn)定性。②頂板和底板面積較大，能有效地承擔(dān)正負(fù)彎矩，并能滿(mǎn)足配筋的需要，適應(yīng)具有正負(fù)彎矩的結(jié)構(gòu)，也更適應(yīng)于主要承受負(fù)彎矩的懸臂梁、T形剛構(gòu)等橋型。③適應(yīng)現(xiàn)代化施工方法的要求。④承重結(jié)構(gòu)和傳力結(jié)構(gòu)相結(jié)合，使各部件共同受力，截面效率高并適合預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的空間布束，因此具有較好的經(jīng)濟(jì)性。⑤對(duì)于寬橋，由于抗扭剛度大，內(nèi)力分布比較均勻，跨中無(wú)需設(shè)置橫隔板就能獲得滿(mǎn)意的荷載橫向分布。⑥適合于修建曲線(xiàn)橋，并具有較大的適應(yīng)性。⑦能很好適應(yīng)布置管線(xiàn)等設(shè)施。在設(shè)計(jì)上，箱形截面可極大地發(fā)揮預(yù)應(yīng)力地效用。可提供很大地混凝土面積用于預(yù)應(yīng)力束地通過(guò)，更關(guān)鍵地是可提供較大地截面高度，使預(yù)應(yīng)力束有較大的力臂。因此，橋梁設(shè)計(jì)師可發(fā)揮箱梁和預(yù)應(yīng)力地特點(diǎn)，頂?shù)装蹇v向鋼束采用平彎和豎彎相結(jié)合的空間曲線(xiàn)，集中錨固在腹板頂部的承托中（或錨固在腹板中），底板鋼束盡可能靠近腹板加厚板（齒板）并在其上錨固。
2預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁裂縫的產(chǎn)因
預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁的裂縫類(lèi)型主要有：邊跨斜裂縫，邊跨水平裂縫，中跨斜裂縫，中跨水平裂縫，邊跨的水平裂縫、斜裂縫同時(shí)發(fā)生，中跨的水平裂縫、斜裂縫同時(shí)發(fā)生，底板、頂板縱向裂縫，底板、頂板橫向裂縫、箱梁橫隔板的放射性裂縫，預(yù)應(yīng)力錨固部位齒板附近裂縫。
預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁裂縫從成因角度可分為：由荷載效應(yīng)（如彎矩、剪力、扭矩及拉力等）引起的裂縫、由外加變形或約束引起的裂縫，主要包括“基巖效應(yīng)”、地基不均勻沉降、混凝土收縮、外界溫度的變化等、鋼筋銹蝕裂縫、預(yù)加力次效應(yīng)引起的裂縫、建材原因引起的裂縫。
根據(jù)裂縫產(chǎn)生部位的不同我們可將其分為：翼緣板橫向裂縫和腹板斜裂縫兩種。
①翼緣板橫向裂縫一般發(fā)生在箱梁受縱向彎矩較大處的受拉翼緣板處，橫向裂縫一般均發(fā)生在跨中底板翼緣。對(duì)于連續(xù)箱梁，橫向裂縫還發(fā)生在支座負(fù)彎矩處的頂板翼緣，并且大部分出現(xiàn)在距支點(diǎn)1/3跨徑范圍以?xún)?nèi)，越靠近支點(diǎn)裂縫越嚴(yán)重，對(duì)于該類(lèi)型裂縫，主要有以下原因引起，首先，設(shè)計(jì)時(shí)翼緣板有效分布寬度考慮不足，薄壁箱梁翼緣板有效分布寬度問(wèn)題實(shí)際上就是剪力滯問(wèn)題，由于理論計(jì)算剪力滯效應(yīng)較為繁瑣，不適于工程應(yīng)用，各國(guó)普遍采用有效分布寬度的概念。由于剪力滯效應(yīng)的考慮不足或計(jì)算值安全儲(chǔ)備較低，在一些特殊荷載工況下容易發(fā)生應(yīng)力過(guò)度集中，腹板處翼緣應(yīng)力波峰超過(guò)允許值，因而首先在該處發(fā)生橫向裂縫。在多年反復(fù)荷載的作用下，裂縫橫向發(fā)展，向翼緣板中部擴(kuò)展，以至于形成橫向通縫。對(duì)于薄壁箱梁橋的翼緣板橫向裂縫，病害原因多歸于此。其次，混凝土徐變引起橫向裂縫，在長(zhǎng)期荷載作用下，受混凝土徐變影響，箱梁在運(yùn)營(yíng)6年～7年后跨中均有不同程度的下?lián)犀F(xiàn)象。較大的形變引起箱梁應(yīng)力重分布，給結(jié)構(gòu)帶來(lái)附加被動(dòng)應(yīng)力。由于結(jié)構(gòu)所受到的外荷載不變，各截面應(yīng)力增加是由附加彎矩不斷變化引起的，附加彎矩隨時(shí)間不斷增加，直到混凝土徐變停滯為止。
同時(shí)，預(yù)應(yīng)力松弛也會(huì)引起橫向裂縫，對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，箱梁內(nèi)部預(yù)應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)有較大的影響，隨著橋梁運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增長(zhǎng)，預(yù)應(yīng)力鋼束發(fā)生松弛效應(yīng)，并且越來(lái)越明顯。在現(xiàn)代施工中一般采用低松弛鋼絞線(xiàn)材料，并且規(guī)范張拉工藝，但在具體操作中難免會(huì)出現(xiàn)與規(guī)范不相吻合的情況，力筋長(zhǎng)期持荷加之混凝土收縮徐變影響，預(yù)應(yīng)力損失也是相當(dāng)嚴(yán)重的。同時(shí)，選用鋼筋不合理也會(huì)引起橫向裂縫，對(duì)于普通鋼筋混凝土箱梁，鋼筋與混凝土的粘結(jié)力對(duì)結(jié)構(gòu)的整體剛度和裂縫的擴(kuò)展有較大的影響。我們應(yīng)該選用表面不光滑、化學(xué)吸附作用和握裹力都較強(qiáng)的預(yù)應(yīng)力鋼筋。
②腹板斜裂縫一般發(fā)生在支點(diǎn)至1/4跨之間。對(duì)于預(yù)應(yīng)力和非預(yù)應(yīng)力箱梁，在施工階段以及在運(yùn)營(yíng)階段，腹板經(jīng)常出現(xiàn)斜裂縫，斜裂縫同樣有多種因素引起，有設(shè)計(jì)計(jì)算、設(shè)計(jì)構(gòu)造配筋、施工工藝、氣候條件、日常維護(hù)、荷載工況等。部分因素在導(dǎo)致翼緣板出現(xiàn)橫向裂縫的同時(shí)也是腹板斜裂縫的主要原因，首先，預(yù)應(yīng)力損失過(guò)大導(dǎo)致腹板主拉應(yīng)力過(guò)大，由于縱向預(yù)應(yīng)力損失的存在，部分預(yù)應(yīng)力損失超過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算值導(dǎo)致截面抗彎承載力嚴(yán)重下降，從而產(chǎn)生翼緣板橫向裂縫。對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土薄壁箱梁結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力損失也是腹板斜裂縫的主要病害原因，預(yù)應(yīng)力損失量估計(jì)不足或者在實(shí)際張拉過(guò)程中操作不當(dāng)引起應(yīng)力損失量加大等情況經(jīng)常發(fā)生，導(dǎo)致力筋的有效預(yù)應(yīng)力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，從而腹板因主拉應(yīng)力超過(guò)容許值而發(fā)生開(kāi)裂。豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋較短，張拉后少量的回縮即可產(chǎn)生較大的預(yù)應(yīng)力損失，分批張拉產(chǎn)生的彈性壓縮可以使預(yù)應(yīng)力損失達(dá)11％，如果有超張拉情況，其損失率更大。懸臂對(duì)稱(chēng)施工時(shí)，掛籃一般后錨于豎向預(yù)應(yīng)力螺紋鋼上，在施工荷載的作用下，預(yù)應(yīng)力損失也比較大。其次，溫度梯度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致腹板剪切應(yīng)力過(guò)大，從而產(chǎn)生腹板斜裂縫。在陽(yáng)光充足的地區(qū)，太陽(yáng)直射橋面，因而橋面板溫度急劇升高，靠近水面的底板溫度較低，兩者形成溫度梯度。對(duì)于目前普遍采用的大跨度、變截面箱梁，隨著截面高度變化幅度的增加及箱梁長(zhǎng)度和支撐約束的增加，溫度梯度應(yīng)力沿梁長(zhǎng)方向變化較快，對(duì)于氣溫變化較為強(qiáng)烈的地區(qū)，由于頂板翼緣受外界溫度影響較大，隨外界氣溫變化波動(dòng)較為明顯，導(dǎo)致腹板拉壓應(yīng)力交替頻繁，在應(yīng)力幅度變化較大的區(qū)域也容易出現(xiàn)斜裂縫。同時(shí)，腹板抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值不足也會(huì)造成腹板斜裂縫的出現(xiàn)。設(shè)計(jì)薄壁箱梁的首要目的是減輕結(jié)構(gòu)自重，降低材料使用量，所以其腹板與翼緣板設(shè)計(jì)厚度較薄。箱梁腹板面積與抗剪承載力有密切的關(guān)系，而薄壁箱梁腹板面積與普通箱梁相比是小得多得，在無(wú)預(yù)應(yīng)力作用情況下，腹板依靠提高腹板的箍筋配筋率和彎起鋼筋得數(shù)量來(lái)提高其抗剪能力。但是在腹板厚度有限的條件下，其提高值亦是有限的。所以，薄壁箱梁腹板抗剪能力相對(duì)于普通混凝土箱梁較小，斜裂縫容易發(fā)生。
3結(jié)語(yǔ)
預(yù)應(yīng)力箱梁在正常使用極限狀態(tài)下不應(yīng)該出現(xiàn)梁體裂縫，但是已建預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋上的開(kāi)裂情況卻非常普遍，因此我對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋典型裂縫成因進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)，望能為混凝土箱梁的設(shè)計(jì)和施工起到一定的參考價(jià)值。
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