大型混凝土箱梁结构工程特点及裂缝问题分析

大型混凝土箱梁结构工程特点及裂缝问题分析

阮艺珊 1 周伟 2

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摘要：箱形截面是一种闭口薄壁截面，其抗扭刚度大，并具有较T形截面高的截面效率指标，同时它的顶板和底板面积均比较大，能有效地承担正负弯矩，并满足配筋的需要。因此在已建成的大跨度预应力混凝土梁桥中，当跨度超过后，其横截面大多为箱形截面，特别是预应力混凝土连续梁桥。

关键词：混凝土；箱梁；结构；裂缝

随着桥用材料性能与施工工艺水平的不断进步，我国桥梁跨径逐渐增大，箱形截面梁由于结构特性优良而成为许多桥梁的首选。但是，在箱梁大量的使用以后，普遍存在的裂缝问题成为了阻碍箱梁发展的突出问题，也成为学术界、工程界关注的一个焦点。我国预应力连续桥梁在70年代首次应用于城市桥梁工程，发展到现在全国相继建成了许多特大公路桥梁，跨度在60m~150m范围内，预应力混凝土连续箱梁方案与其他桥型相比，具有很强的竞争力，箱梁在大跨度梁桥中的应用非常的普遍。

1箱梁裂缝情况呈现的特征

混凝土箱梁在一段时间的广泛采用后，暴露出来不少问题，其中裂缝的普遍出现最为突出。由于桥梁工程背景不同，产生裂缝的原因是多方面的，因素比较复杂，因此产生裂缝的性质、位置和特征也各有差别，严重程度也不同。

第一，裂缝位置具有一定的普遍性和规律性。据观察，许多预应力混凝土连续箱梁桥，都发现有或多或少的裂缝，说明预应力混凝土连续箱梁桥不但存在裂缝的可能性，而且具有一定的普遍性。另外，上游、下游裂缝具有对称性。很多连续箱梁桥，在边跨梁端附近均发现有斜向裂缝，在腹板与顶、底板交接处发现有水平裂缝，内外侧腹板裂缝多于顶、底板裂缝，所发现裂缝，箱体内多于箱体外，在合拢段的顶、底板容易产生裂缝等，这些裂缝的产生具有一定的规律性和共同性。第二，裂缝产生的原因具有复杂性，施工阶段容易产生裂缝。对于某条裂缝的产生并非仅存在单一原因，可能是综合因素产生的，也可能开始是一种诱发因素，而伴随着由于其它因素而导致开裂的，对裂缝的特性分析只有抓住主要因素。对易产生裂缝的因素和易产生裂缝的构件和部位作为主要研究和分析对象。从产生裂缝的现象上看，施工是关键阶段。因为混凝土在初始阶段抗拉强度很低，容易遭受多种因素而致开裂。在施工阶段即己发现裂缝，当然这些裂缝的产生也不排除设计的因素，但是，施工和环境因素是主要的。第三，裂缝具有多样性。桥梁断面形式不同，受力情况不一样，发生裂缝特征也不尽相同。实际上由于各种原因，在箱梁内产生的裂缝是多种多样的。横向裂缝的出现，多从其翼板（即顶、底板）与腹板交接位置开始，逐渐向两翼发展，尤以顶板外翼（悬臂）下缘严重。横向裂缝的纵向（沿跨）位置，简支体系者位于其跨中截面附近2m~4m内，而连续体系者，大多出现于其各路内支点附近1/3跨径范围内。弯箱梁桥，横向裂缝基本沿径向呈放射状开展，其纵向位置与直箱梁桥类似，但曲线外缘一侧比内缘一侧为多。钢筋混凝土箱梁桥，横向裂缝较为普遍，而预应力混凝土箱梁桥，横向裂缝出现甚少。箱梁桥跨宽比（1/b）比越小，箱壁越薄，腹板间距越大，外伸悬臂越长，则翼板横向裂缝越发展，甚至出现贯通开裂而明显漏水，并有乳白色碳酸钙析出现象。横向裂缝宽度为0.1mm~1.0mm，个别严重者达3.0mm，己远超出我国桥规的限值范围。

2箱梁裂缝产生的原因分析

第一，材料性质方面的因素。①水泥反常凝结。如水泥或集科中含过量的有害物质如游离的三氧化硫等，会引起随时间而增长的混凝土酥裂。②混凝土下沉离析，水泥浮浆，水泥干缩产生裂缝；③水泥的水化热。特别对于大尺寸的构件，由于水泥水化热作用，使混凝土内部和构件表面温差过大；④水泥的反常膨胀。如集料中含海性二氧化硅，水泥中含碱量过高，会引起随时间而增长的混凝土胀裂；⑤骨料中含泥。集料中含泥过量，会随着混凝土的干燥而产生不规网状裂缝，并使混凝土的强度降低；⑥使用反应性的骨料或风化的岩石。如集料中含石灰石，在含石灰在处会引起混凝土爆裂；⑦混凝土的干燥收缩等。防止产生裂缝的主要措施应在施工时严标准或规范选用材料，要求选用恰当的配合比，采用正确的施工方法。应力混凝土连续箱梁中特别要注意水泥的水化热和混凝土的干燥收缩，这是常见产生非结构性裂缝的主要因素。

第二，施工方面的因素。材料的搅拌不均、分离，搅拌时间过长，容易产生不规则的网状裂缝。采用泵送增大水泥量和用水量以及浇筑顺序错误和浇筑速度过快，容易发生构建交接部位的纵向裂缝。捣固不充分，混凝土振捣不密实，钢筋紊乱、保护层厚度不足、接缝的处理不当、模版变形、等原因也易产生裂缝。养护初期快速干燥以及初期冻害，往往使构件表面出现裂缝和混凝土剥落。施工因素产生裂缝与施工方法有关，在预应力混凝土连续箱梁中，特别要注意支架段施工、合拢段施工和体系转换过程中的施工，混凝土凝土灌筑之后的养护也十分重要。

第三，环境以及其他因素。环境温湿度的变化，构件两面的温湿度差，内部钢筋生锈，酸盐等的化学作用以及冻结等。对于预应力混凝土连续箱梁，主要是温度产生裂缝，尤其是日照的影响，是不能忽视的产生裂缝的主要因素。另外，还有结构或构造的不合理，截面或配筋不足，结构物不均匀下沉、超载影响以及偶然荷载影响等因素。对于预应力混凝土连续箱梁，结构或构造不合理是产生裂缝的主要因素，往往是局部应力和构造细节设计不注意。配筋不足也是一个重要因素，特别是非预应力配筋不足是影响裂缝宽度的主要因素。

结束语：

综合而言，箱形截面其主要优点有：截面抗扭刚度大，结构在施工与使用过程中都具有良好的稳定性；顶板和底板都具有较大的混凝土面积，能有效地抵抗正负弯矩，并满足配筋的要求，适应具有正负弯矩的结构，如连续梁桥、拱桥、刚架桥、斜拉桥，也更适应于主要承受负弯矩的悬臂梁、T形钢构等桥梁；适应现代化施工方法的要求，如悬臂施工法、顶推法等，这些施工方法要求截面必须具备较厚的底板；承重结构与传力结构相结合，使各部件共同受力，同时截面效率高，并适合预应力混凝土结构空间布束，具有较好的经济效果；对于宽桥，由于抗扭刚度大，跨中无需设置横隔板就能获得满意的荷载横向分布；适合于修建曲线桥，具有较大适应性；能很好适应布置管线等公共设施。

参考文献：

[1]林延杰，秦俊超.20m预应力混凝土箱梁裂缝成因分析及处理措施[J].铁道建筑，2016，（06）.

[2]郭建林.预应力混凝土箱梁裂缝成因分析及处治[J].科技信息，2017，（01）