先张法预应力混凝土空心板箱梁纵向裂缝分析与防治

【摘要】从设计和施工的角度，对先张法预应力混凝土空心板箱梁的底板纵向裂缝进行了分析，并对处治措施提出了建议。

【关键词】先张法预应力混凝土空心板箱梁；纵向裂缝；病害分析

我国高速公路建设现已实行“双标”（标准化、标杆）管理施工，施工过程严格落实“三集中”、“两准入”制度，即混凝土拌合集中、钢筋加工集中、梁板预制集中和混凝土浇注模板准入、隧道二衬台车准入制度，发挥工厂化、集约化、标准化施工的优势，构件大批量生产，降低了预制成本，并且便于质量控制，安全文明施工管理，也利于工期缩短，减少用地等，提高工程实体质量和降低施工期安全事故的发生。前期高速公路建设在没有实行“双标”管理施工，“三集中”、“两准入”制度之前，桥梁上部结构广泛采用了先张法预应力混凝土空心板箱梁，在桥梁施工完运营过程日常检查维护中发现，在部分空心板的底板中部常发现有纵、横向裂缝，需及时维护或加固处理。

众所周知，空心板的主要受力方向是纵桥向。在施工和使用过程中，由于预应力及车辆活载的反复作用，空心板会产生纵桥向的弯矩等内力，如果产生的应力超过混凝土的抗拉强度，就会发生板顶或者板底的横向裂缝。纵向裂缝的产生原因是多方面的；其次，纵向裂缝对结构的危害及影响公用安全和运营效率。下面以广深高速高速公路东莞北大桥先张法预应力混凝土空心板纵向裂缝的产生原因及危害进行分析和探讨。

广深高速公路是联系广州、深圳、珠海的广深珠高速公路的首期工程，1987年5月动工，1993年12月2日建成，1994年7月18日全线试通车，1997年7月1日正式通车营运。北起于广州市黄村立交，与广州环城高速公路北段相接，南止於深圳市皇岗口岸附近，与深圳皇岗路相接，双向六线行车，全长122.8公里，宽33.1米，双向6车道、全封闭、全立交，限速为120km/h。属于G4和G15的一部分，从鹤州出入口至火村出入口的路段为G4和G15并线之路段。设计车流量为6万辆次/日，但2012年数据显示，平时日车流量就已达40万辆次。

1、病害情况及对结构的影响

发生纵向裂缝的板梁为主要有跨径13m、 16m的简支及简支变连续先张法预应力混凝土空心板。开裂现象仅发生在部分空心板，并且边板开裂较多。裂缝产生于空心板底板的中部，多数裂缝贯穿了空心板全长，从支点一直延伸至跨中，直至另一支点。但是也有部分空心板裂缝并不连续，仅在局部开裂，而且跨中纵向开裂多，支点附近开裂少；也有的空心板发生多道纵向裂缝，相互交织。有的甚至将混凝土切割破碎，混凝土碎块掉落，露出预应力钢绞线。多数裂缝宽度在0.112～0.132mm左右，部分较严重的裂缝宽度达0.135mm，大多数的裂缝宽度已经超过《公路桥涵养护规范》（JTG H11-2004）对预应力构件纵向裂缝宽度的规定值（0.120mm）。裂缝深度均已发展到预应力筋位置，部分裂缝深度已经贯通底板，发生漏水等情况。通过检测证实，纵向开裂的梁其承载能力仍能够满足设计要求，但是个别裂缝较严重的梁的挠度、应力值的校验系数呈离散情况。这说明纵向裂缝对梁的承载能力影响不大，但较严重的裂缝会对梁体的整体性和刚度产生影响。裂缝的存在也会使混凝土受到损害，并且使钢筋暴露在环境中，增加钢筋受腐蚀的机率，从而会降低构件的使用寿命。设计单位对结构进行了裂缝宽度、承载力等的常规验算，结果表明空心板的承载能力满足规范要求。

从施工、监理资料来看，空心板的预制、存放、安装施工过程并无明显的违反施工规范的过错。通过调查发现，绝大多数类似结构的桥梁使用长时间后均会发生纵向裂缝。这说明这种先张法预应力混凝土空心板的纵向裂缝是一种较为普遍的现象。纵向裂缝的发生必然与这种结构本身的特性存在联系，下面从结构设计和施工两方面分析裂缝发生的原因。

2、空心板結构设计情况

该类型空心板的设计荷载等级标准为汽车—超20级。钢绞线采用ASTMA416-90a标准270级低松弛钢绞线。13m空心板横截面尺寸为：空心板宽度为1m，高55cm，中心挖空部分截面为35cm高的扁圆。16m空心板横截面尺寸为： 空心板宽度为1m，高70cm，中心挖空截面为直径50cm的圆。空心板的顶板厚度为10cm ，底板厚度也是10cm。混凝土标号为C50。据了解，为了防止芯模上浮及施工误差导致顶板过薄，设计单位将其厚度由原来的8cm调至10cm，但是横截面外轮廓尺寸基本没有改变，因此，底板厚度由原来的12cm减小为10cm。与原设计相比，另一显著变化是为了保证空心板通过截面验算或增加安全储备的目的，把空心板的混凝土标号由原C40提高到C50。

3、空心板的施工情况

根据了解，发生开裂的空心板的预制施工及存放、吊装过程，均依照规范要求进行，并无特殊之处，只是出梁时间多为夏季，在预制施工中，有两件事值得关注。一是空心板底板混凝土的施工质量偏差。经检测，虽然空心板混凝土质量合格，没有明显的浇注施工质量缺陷，但是部分梁底板的混凝土看起来没有其他桥梁上的底板平整光洁，似乎由振捣不充分所致。经了解，由于采用C50混凝土，为了增加和易性，加快工期，添加了引气剂、早强剂等添加剂。施工季节为夏季，施工中发现混凝土的坍落度损失很快。二是夏季预制空心板的预拱度明显比其他季节预制的板要高。以16m板为例，根据现场监理提供的情况，高温时期的梁放张后预拱度达到3cm左右，远高于设计提供的预拱度。而秋季预制的梁预应力束放张后，预拱度约1cm，但是查看预应力束张拉等施工记录，并无其他明显差别。

4、裂缝原因分析

由以上情况可以看出， 空心板纵向裂缝的发生有设计和施工两方面的原因。多个工地，不同施工单位预制的空心板出现同样的问题，这说明设计存在缺陷； 同时，仅仅部分空心板开裂，并且发生裂缝的情况有的较轻，有的对结构会造成明显影响，这说明施工质量存在较大的离散性，与施工控制不严有关。采用C50混凝土，当然能够提高空心板的承载能力和安全储备，但是却给混凝土浇注施工带来困难。在夏季混凝土浇注施工时，添加了各种外加剂的高标号混凝土的坍落度损失较快，导致空心板的底板混凝土不密实，导致空心板混凝土施工质量离散性大。减小底板的厚度，对空心板梁的整体承载能力并不降低。但是，从局部受力分析，它确实降低了底板的抗裂能力。

空心板纵向开裂，与施加预应力的大小也有关系。夏季预应力束张拉时，钢绞线在暴晒下温度可达60℃左右，但混凝土浇注时，按照施工规范要求温度不能过高，在温度差的作用下，钢绞线收缩产生超过设计值的张拉力，致使空心板预拱度增加，空心板底板受力也增大，易于发生开裂。

另外施工过程中，由于先张法预应力束放张时，钢束的回缩会给混凝土施加强大的预压力，在横向可产生劈裂横向拉应力。如果预应力放张过早，混凝土强度尚低，会产生纵向开裂。另外预应力放张过快，梁体内部应变无法很快地达到平衡，发生应变滞后，也会导致横向拉应力超限而开裂。另一方面， 如果施工未按照规范要求对称均衡地放张，也会在截面横向产生弯矩，应力迭加超过限值后发生开裂。至于边板开裂较多，是因为边板截面不对称，放张后截面上横向弯矩比中板截面大，而尺寸与中板相近，所以边板是薄弱环节，纵向开裂就会较多。

5、结论与防治建议

为避免此类型空心板的结构产生裂缝，首先应优化设计。虽然结构的设计通过常规的受力验算，能够满足规范要求，但仍需要增加结构应对施工偏差的容错性，减少发生质量问题的机率。在施工方面，应改进混凝土施工工艺，保证混凝土的浇注质量。并且规范预应力放张工序的施工操作，严格按照规范要求，在混凝土强度达到要求后，对称、均衡、缓慢地放张，避免产生过大的横向拉应力，减少裂缝的发生机率。

对于已经出现的裂缝，鉴于对空心板的整体受力性能影响不大 应视其严重程度进行适当的处理，主要目的是封闭裂缝，减少构件受侵蚀的机会，消除裂缝对空心板使用寿命的影响。对于开裂较少的，可以采取注浆封闭措施。混凝土碎裂严重的，可清除碎渣，注浆封闭裂缝后，可采用粘钢包加固、包钢加固、碳纤维加固予以补强，或者换板，消除后患。

参考文献：

[1]刘效尧，蔡键，刘晖.桥梁损伤诊断[M].北京：人民交通出版社.

作者简介：

戴秀平 ，广东省南粤交通清云高速公路管理中心。