１２２低温建筑技术２０１０年第１Ｉ期（总第１４９期）大跨连续刚构桥腹板开裂原因及预防夏晓慧１，彭富强１，夏春燕２（１．湖南交通职业技术学院。长沙４１０００４；２．湖南省交通科学研究院，长沙４１００００ｌ【摘要】预应力ｔ昆凝士连续刚构桥以其较好的整体受力性能及跨越能力在国内外大跨度桥梁中得到广泛应用，但其在运营过程中箱梁开裂及下挠过大现象较为普遍。以最为常见的腹板开裂进行分析，介绍了裂缝产生的一些原因；基于有限元软件ＡＮＳＹＳ建立某刚构的局部模型，模拟了温度对腹板开裂的影响，结果表明：温度梯度越大，产生的应力越大，腹板开裂也越严重；提出了预防开裂的一些措施及对裂缝的处理方法。【关键词】桥梁工程；裂缝；温度；防护【文献标识码】Ｂ【文章编号】１００１—６８６４（２０１０）１１—０１２２—０３严格说来，混凝土产生裂缝是不可避免的，其微观裂缝是自身物理、力学性质所决定。桥梁在使用过程中受到外荷载（车辆、人群等），这些都直接作用于结构上，产生荷载裂缝。除此之外，基础变位、混凝土收缩徐变、温度等间接作用会受到结构局部的约束作用产生拉应力，当其超过混凝土抗拉强度即产生裂缝。箱梁腹板裂缝一般集中在／／８一／／４跨之间，往往腹板内侧的数量较多，裂缝宽度在０．１５—０．５ｒａｍ之间，与水平夹角呈２０。一６０。，且夏季较冬季有所增大。（１）收缩裂缝。水灰比过大、养护不及时、温度、湿度不足易产生收缩裂缝。混凝土凝固形成其自身设计强度过程中，由于温度和湿度的变化，部分水分与水泥颗粒结合，导致体积变小，称为凝缩；部分水分蒸发，使体积减小，称为【中图分类号】ＴＵ７５５．７桥梁作为交通的咽喉要道，对保障交通安全运营起着至关重要的作用，截止２００９年底，我国既有桥梁已达６０余万座。由于我国经济建设迅速发展，地区间交通运输需求不断提高，交通基础设施建设发展迅猛，对大跨度桥梁的需求越来越多，预应力连续刚构桥多为箱形截面，其抗弯、抗扭刚度大，主墩无支座、整体性好且施工方法多样，因此，这种桥型日益受到人们的青睐一Ｊ。据不完全统计，目前我国已经建成和在建跨径在２００ｍ以上的连续刚构桥已接近２０座，跨径在１００～２００ｍ之间的有１００余座。然而经调查发现大部分连续刚构桥建成通车后几年跨中出现下挠，箱梁腹板出现裂缝，黄石长江大桥和广东虎门大桥辅航道就出现类似的现象。１裂缝的成因■窜■窜斗辜斗辜膏窜膏台膏窜■辜■窜并ｅ■窜碍ｅ斗皋斗台■窖拍ｃ斗窜■辜■ｅ■辜辱辜牛窜心斗辜—鲁膏ｅ斗窜斗辜■辜斗窜斗辜膏辜斗辜斗宰斗皋斗辜艇！膏窜聪ｃ膏窜斗窜■ｅ■窜斗搴■鲁■窜温度加３０Ｃ。工况３：考虑到施工速度，混凝土３ｄ拆模．浇筑３ｄ考虑昼夜温差１０Ｔ：，侧面外贴０．５ｃｍ泡沫板进行３ｄ保温，仓面覆盖６ｃｍ草袋进行７ｄ保温，浇筑温度控制在２６。Ｃ。工况４：混凝土３ｄ拆模，侧面外贴１．５ｅｒａ聚乙烯苯板或０．５ｃｍ硬质泡沫板进行３ｄ保温，仓面覆盖６ｃｍ草袋进行７ｄ保温，浇筑温度控制在２８。Ｃ。内部采用ＨＤＰＥ管，壁厚０．２５ｃｍ，外径为４．Ｏｃｍ，混凝土进仓就开始通水，持续时间为８ｄ，每２ｄ改变～次水流方向，流速Ｉ．２０ｍ／ｓ，流量５．４３ｍ’／ｈ，其它同工况３。４温控防裂措施计算分析所知，表面裸露时，其早期表面拉应力超出了混凝土的抗拉强度，容易导致开裂。采用泡沫板保温７ｄ再拆模可以保证早期不出现裂缝。但为了不影响工期，保证３ｄ拆模的进度，采用模板外侧外贴泡沫板３ｄ，仓面覆盖草袋７ｄ的温控措施后，也使得表面拉应力降至较为安全的范围之内。这说明即使在高温季节，环境温度相对较高时。只有适当的进行表面保温的力度，才能避免开裂的出现。经过工况的优化，５、６月份现场的温控措施同工况３：而对于温度最高的７月份，除表面沿用５、６月份的温控方案，【收稿日期】２０１０—０７—２２［作者简介】孙敬超（１９７４一），男，陕两韩城人，工程师．从事水利工程施工。［４］［２］［１］张子明．郭兴文，杜荣强．水化热引起的大体积混凝土墙应力与开裂分析［Ｊ］．河海大学学报，２００２，３０（５）：１２一１６．丁宝瑛，王国秉，黄淑萍，等．国内混凝土坝裂缝成因综述与防止措施［Ｊ］．水利水电技术，１９９４，（４）：１２—１８．【３］ＨａｔｔｅｌＪＨ，ＴｈｏｒｂｏｒｇＪ．Ａｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｆｏｒｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇｔｈｅｌｈｅｒ－ｍｏ内部也要进行通水冷却才行，通水的方案如工况４。５结语通过模板外贴泡沫板以及内部通水的措施，有效的减少了混凝土内外温差，对混凝土在夏季施工的质量保证起到了良好的作用，对类似工程有一定的指导意义。参考文献ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｄｕｒｉｎｇｈｙｄｒａｔｉｏｎｏｆ．ｅａｒｌｙ—ａｇｅｃｏｎｃｒｅｔｅ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＭａｔｈｅｍａｔｉｃａｌＭｏｄｅｌｉｎｇ，２００３，２７（３）：ｌ一２６．郭磊．混凝土徐变系数研究及在防裂方法中的应用［Ｄ］．南京：河海大学，２００９．万方数据复晓慧等：大跨连续刚掏桥腹板开裂原因及预防１２３干缩，二者则合称为收缩。干缩过程是从混凝土表层向内部逐步发展，在混凝土内呈现含水梯度，因此产生表面收缩大、内部收缩小的不均匀收缩，致使表面混凝土承受拉力，内部混凝土承受压力。当表面混凝士所受的拉力超过其抗拉强度时，便产生收缩裂缝。收缩裂缝主要出现在结构表面，裂缝细而密，分布比较均匀，多沿梁的长边走向。（２）预应力损失导致开裂。竖向预应力筋通常采用精轧螺纹钢筋，由于其长度较短，使螺母与精扎螺纹钢筋的间距损失和锚垫板与螺母锚固损失较大，且施工时又难以控制。另外，大跨度连续刚构箱梁桥底板一般设计为高次圆滑曲线线形，而实际施工中底板下缘线形是由多个直线段连接而成，主梁须经过多次预抬、张拉等变形调整，因此，预应力管道很不平顺，管道摩阻偏大，致使部分截面有效预应力不足。随着桥梁运营时间的增长，箱梁内预应力钢束的松弛效应也更加明显。现代施工中，纵向预应力钢筋一般使用低松弛钢绞线材料，通过规范对张拉前、张拉过程中的操作工艺等来减少预应力损失。但在大跨度梁预应力施工中，一般规范规定往往与具体情况难以十分吻合，长时间持荷受力和收缩徐变的影响，使预应力损失较大。较大的应力松弛也降低了腹板的有效预加力，这也是箱梁腹板开裂的主要原因。（３）温度对开裂的影响。长期工程实践表明，温度对混凝土出现裂缝的因素是极其复杂的。一方面，混凝土由于内外温差而产生温度应力和应变；另一方面，结构外约柬和混凝土内不同部分的自约束阻止了这种应变。一旦温度应变超过混凝土能承受的极限抗拉强度，就会产生不同程度的裂缝。置于自然环境中的混凝土桥梁结构，由于热传导性能较差，周围环境气温的变化及阳光辐射的作用，使结构表面温度迅速变化，而其结构内部温度仍处于原来温度状态，使混凝土结构中形成较大的温度梯度。大体积混凝土（厚度超过２ｍ）浇筑之后由于水化放热，内部温度很高，如果不采取妥善散热措施，由于内外温差太大，很容易形成温度裂缝。蒸汽养护及冬季施工时，如果措施不当、混凝土骤冷骤热、内外温度不均，也容易产生温度裂缝。当构件较长且两端固定时，周围温度变化将会产生附加的温度应力，导致混凝土结构的各部分处于不同的温度状态，由此会产生温度变形，温度应力较大旧Ｊ。对于温度梯度的影响，现行桥梁一般通过假定温度梯度在整个桥梁上部结构纵向长度上时恒定不变的，但这与实际情况存在差异。（４）施工材料引起的裂缝。钢筋锈蚀以后，产生的氢氧化铁的体积要比原来大２—３倍，使钢筋周围混凝土产生膨胀力，若混凝土的保护层过薄或本身不够密实将导致混凝土保护层开裂甚至剥离，由此会进一步加剧钢筋锈蚀，最终导致构件的耐久性下降。砂石的级配以及有害物质的含量等因素也是引起开裂的重要原因。砂的粒径小，级配不良，尤其是超细砂的使用万方数据将导致水泥用量和拌和用水的大大增加，影响混凝土的强度，使混凝土的收缩加大，引起混凝土裂缝的产生。集料的最大粒径越小的混凝土收缩就越大，粒径较大比粒径较小的集料对收缩具有较大的局部约束。除此之外，施工因素对腹板歼裂也会有一定的影响¨］。箱梁腹板开裂原因复杂，目前我国对施工材料、施工工艺等引起的混凝土开裂方面研究较多，这些原因引起的裂缝通常可以通过加强施工质量控制及应用新材料、新工艺等手段加以改善甚至消除。（１）工程实例：某连续刚构桥。主跨７５ｍ＋１３０ｍ＋局部模型，如图２所示，采用三维实体单元Ｓｏｌｉｄ６５模拟混凝土材料，利用该单元中提供的钢筋属性参数进行钢筋模拟，为保证单元形状和计算的精度，建模时把整个梁段分成多个小实体，并在关心截面处增加节点，采用六面体单元，实行映射网格划分，在模型的端部采用弹性单元Ｓｏｌｉｄ４５单元。—１街毒Ｌ，Ｉ—酬咧＿图１箱粱截面图（２）温度影响的模拟。桥位所处气候复杂，夏季桥面板集中吸收阳光的辐射，与靠近水面温度较低的底板形成温度梯度。一般情况下顶板、底板的温差可达８一ＩＣＥ。对于温度梯度的影响，目前都假定沿整个桥梁上部结构纵向长度上恒定不变，在平面杆系和空间梁单元中无法考虑温度竖向梯度的影响，但这与实际情况又不相同。文中在该大桥局部模型中考虑以下两种情况的温度荷载：①整体降温２０。Ｃ；②顶板、底板之间有一定的温度梯度。顶板降温１５℃，腹板降温２５℃，底板降温２５℃。顶板与腹板、底板的温差为１０℃。由于预应力混凝土连续刚构桥主梁往往采用变截面的形式，为多次超静定结构，在温度荷载作用下产生的温度自应力和温度次应力都与主梁的截面类型和尺寸有关，这种复杂的计算用解析法难以求解，需要借助有限元建立实体结构模型对其进行分析。我国桥梁工程师在预应力混凝土连续梁桥设计中，提出按桥面板升温５℃计算温度应力是偏于不安全的。如图３所示，通过计算分析得出整体降温对箱梁腹板开裂的影响较小，然而在存在一定温度梯度的情况下，如图４所示，箱梁裂，且温度梯度越大，相应的应力也会越大，腹板开裂也就越严重。由此可以看出，我国规范中规定的温度梯度偏低，２温度对腹板开裂影响的分析７５ｍ。截面如图ｌ所示。采用大型有限元ＡＮＳＹＳ软件建立腹板上下边缘横桥向的应力明显增大，进而导致腹板的开１２４低温建筑技术２０１０年第１１期（总第１４９期）图２局部模型图４存在温度梯度时腹板裂缝情况按此温度梯度设计的桥梁存在一定的不安全因素。３裂缝预防（１）由于水泥水化热是引起混凝土温升的主要因素，因此应尽可能地减少水泥用量，可要求施工单位选用低水化热的普通硅酸盐水泥掺１５％的一级粉煤灰，降低混凝土进入模板的温度。（２）合理养护，控制拆模时间。混凝土拆模时间应考虑气候环境等情况，必须有利于强度的正常增长，并防止混凝土开裂，有研究表明拆模时混凝土的温度差要满足下式…：厶ｆ。＝（ｔＩ—ｔ２）＋２／３（ｆ～一１３）＋“≤２０‘℃（１）式中，△‘。为拆模时混凝土的内外温度差；ｔ。为混凝土表面温度，取表面以下ｌＯｅｍ处的实测值；ｔ：为拆模时室外最低气温；‘～为混凝土的中心实测最高温度；１３为混凝土降温后的稳定温度，取拆模当月的平均气温；ｔ４为混凝土收缩当量温差。（３）选用高强度低松弛钢绞线、格构锚固并采用超张拉的方法都可以减小预应力损失。４裂缝的处理桥梁腹板出现裂缝不仅会影响结构的整体性与刚度。而且还会引起钢筋锈蚀、加速混凝土碳化、降低混凝土的耐久性、抗疲劳与抗渗能力。因此，依照裂缝的性质和具体工程实际情况要区别对待、及时处理，以保证结构的安全性。（１）对于宽度不大（０．１ｍｍ左右）的裂缝可采取表面修补法，即将表面灌浆涂抹或嵌缝封堵。灌浆法一般适用于影响结构整体性或有防渗要求的混凝土裂缝的修补，用浆泵使胶结材料压入裂缝中，由于胶结材料（水泥浆、环氧树脂、聚氨酯等）凝结、硬化，从而达到修补裂缝的目的。嵌缝法通常沿裂缝凿槽中嵌填塑性材料（聚氯乙烯胶泥、塑料万方数据图３整体降温２０℃腹板裂缝情况油膏等）或聚合物水泥砂浆。进而封闭裂缝。（２）产生裂缝面积较大时，宜用粘贴碳纤维布的方法，对裂缝进行封闭，其抗酸碱性较好且轻质高强，对结构自重及刚度基本没有影响。当出现严重损坏混凝士结构裂缝时，应先除去已损坏的混凝土，再置换入新的混凝土或改性聚合物混凝土。鉴于连续梁刚构桥发展越来越迅速，应用越来越广泛，而各种裂缝的存在严重影响着桥梁的使用性能，使结构的刚度下降，从而引起桥梁的挠度过大，结构静动力性能降低，如不及时维护，还可能造成主体结构的破坏。我国正处于大规模的基础建设时期，大跨度预应力混凝土箱梁结构应用较广，因此，对此类问题还需进一步探讨。参考文献［１］郭金琼．箱形梁设计理沦［Ｍ］．北京：人民交通出版社，１９９１．［２】汪剑。方志．大跨预应力混凝土箱梁桥收缩徐变效应测试与分析［Ｊ］．预应力技术。２００９，（４）：ｌｌ一２１．［３］刘小燕，龙浩军，韦成龙，王会永．公路Ｐｃ箱梁腹板裂缝成因与混凝土应力限值研究［Ｊ］．桥梁建设，２００６，（２）：１４一１７．［４］金橱根，金辉．连续梁桥裂缝成因及动力性能影响分析［Ｊ］．公路交通科技（应用技术版），２００８。（９）：１２７—１２９．［５］王酋绪，詹建辉．特大跨度连续刚构主梁下挠及箱梁裂缝的体外预应力处治［Ｊ］．中外公路，２００７．（３）：１４６—１４８．［６］李海军，李军．连续梁桥预应力箱梁腹扳裂缝成因浅析［Ｊ］．华东公路，２０００，（３）：２６—２９．［７］李文波．鹤洞大桥大体积混凝土的温度控制及防裂［Ｊ］．桥梁建设，１９９９，（３）：６６—６８．［收稿Ｅｔ期】２０１０—０７—２２【作者简介］夏晓慧（１９８２一），男，湖南武闪人，在凄工程硕士，主要从事公路桥梁的设计和教学工作。５结语大跨连续刚构桥腹板开裂原因及预防
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
夏晓慧， 彭富强， 夏春燕
夏晓慧,彭富强(湖南交通职业技术学院,长沙,410004)， 夏春燕(湖南省交通科学研究院,长沙,410000)
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