ｌ６６ 第ｌ期 ２０１３年１月 高速公路装配式预应力砼箱梁腹板裂缝试验研究 邓昌宁 （辽宁省交通科学研究院，辽宁沈阳 １１００１５） 摘要ｉ通过对高速公路典型的存在腹板裂缝的装配式预应力砼箱梁进行结构性能试验研究和 Ｈ 结构解剖分析，研究箱梁腹板沿预应力管道方向裂缝的产生原因，分析箱梁腹板裂缝对结构安全 性和耐久性的影响，并提出处理意见和施工建议。 关键词：桥梁；装配式顸应力砼箱梁；腹板裂缝；试验研究 公 路＆ Ａ 中图分类号：Ｕ４４６ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１—２６６８（２Ｏｌ３）Ｏ１一Ｏ１６６一Ｏ５ 装配式预应力砼箱形梁桥具有施工工艺成熟、 难度小、施工进度快、材料用量较省、经济指标较好、 结构连续、行车舒适等优点，近年来在辽宁省高速公 路建设中应用广泛。 与 汽 运 Ａ 辽宁省在建高速公路中，一些２５ ｍ装配式预 应力砼箱梁的腹板存在不同程度的沿预应力管道方 向的纵向裂缝。为了分析裂缝的形成原因及其对结 图１梁体裂缝 口 ．乩 构安全性和耐久性的影响，开展相关试验研究并对 ０ 典型箱梁进行破坏性解剖分析，为今后该类箱梁的 施工提供建议。 ２箱梁静载试验 选取跨中、Ｌ／４和３Ｌ／４截面为检测截面，进行 １腹板裂缝状况 辽宁省高速公路采用的装配式部分预应力砼箱 形梁桥，以２５ ｍ先简支后连续结构为主，设计荷载 为公路一Ｉ级。个别箱梁在张拉并压浆后３～６个 月内腹板会出现沿预应力管道方向的纵向裂缝（如 图１所示），裂缝沿桥跨方向基本是连续的，宽度为 ０．０２～０．１０ ｍｍ 静载试验，试验工况为跨中最大正弯矩工况。 ２．１试验荷载 （１）按正常使用极限状态进行试验时的试验荷 载。由于桥梁为简支变连续结构体系，装配式箱梁 在施工及运营阶段将增加的荷载主要为桥面铺装层 等二期恒载（包括防撞墙的影响）及可变作用的共同 作用，按桥梁最终的连续结构体系，计算确定试验梁 系数可以分配各拱片承受的荷载，但是弹性支承连 续梁法稍微高估了刚架桥的横向刚度。 参考文献： ［１］顾安邦，孙国柱．拱桥（下册）［Ｍ］．北京：人民交通出 版社，１９９６． ［５］ＪＴＧ Ｄ６Ｏ一２００４．公路桥涵设计通用规范Ｉｓ］． ［６］ 庞孟丽．钢筋混凝土刚架拱桥拓宽改造技术研究［Ｄ］． 重庆：重庆交通大学，２０１１． ［７］李冲．钢筋混凝土刚架拱桥受力机理与节点加强技术 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加载至第６级荷载（１５６．３ ），在加载前后，箱 梁梁体无竖向和剪切裂缝产生。 ２．５静载试验数据分析 梁的承载能力满足设计荷载（公路一Ｉ级）的要求。 （１）实测值与理论值的相关性分析。箱梁跨中 截面挠度、应力随荷载增长的线性相关系数Ｒ分别 为０．９９９ １和０．９９８ ８，箱梁挠度和应力与荷载的相 ３箱梁腹板裂缝成因分析 为了分析该类箱梁腹板裂缝的形成原因，荷载 试验结束后，在该梁左侧腹板的裂缝处利用取芯机 钻取７个芯样（取芯后施工单位对该梁进行了拆 解），取芯时尽量不破损波纹管。具体取芯位置如图 ５所示；芯样裂缝深度如图６所示；管道位置、压浆 状况及表层构造筋保护层检测结果如表３所示；管 道内水泥浆状况（干燥状态）如图７所示。 关性较好，可认为在试验荷载作用下该结构处于良 好的弹性工作状态。相关曲线如图４所示。 （２）校验系数分析。《公路旧桥承载能力鉴定 方法》（试行）规定，桥梁承载能力采用校验系数订进 行鉴定。该箱梁按正常使用极限状态进行试验时的 试验荷载挠度校验系数为０．６５～Ｏ．７５，应力校验系 １．４０ ２．０ｏ．１．７８． ２．４７ ．２．３５ ． ２．８４ ４ 墩 ３・墩 图５取芯位置示意图（单位：ｍ） ３．１裂缝深度分析 该梁左、右侧腹板外表面各有１条沿预应力管 道（基本沿Ｎ２钢束方向）方向的纵向裂缝，裂缝基 本连续，宽度为０．Ｏ２～Ｏ．１０ ｍｍ。根据表３的取芯 结果，裂缝深度为３．０～４．５ ｃｍ，裂缝基本终于７ 纵向构造钢筋的外表面（腹板外侧方向）附近，裂缝 呈现外宽内窄的形状。因此，该类裂缝会导致构造 图６裂缝深度照片 钢筋过早出现锈蚀现象，长期将影响桥梁的耐久性， 公 路 与 汽 运 总第１５４期Ｈｉｇｈｗａｙｓ＆Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ １６９ ３．３预应力管道位置检测分析 根据表３的取芯结果，Ｎ２、Ｎ３钢束管道的竖向 偏位为一７．０～＋６．９ ｃｍ（大部分为正偏差，表明预 应力管道存在上浮现象），均不满足ＪＴＧ Ｆ８０／１— ２００４｛公路工程质量检验评定标准》表８．３．２—３“后 张法实测项目”的规定值土１０ ｍｍ。 图７通过粱体解剖方法检测的管道内 跨中截面Ｎ１、Ｎ２钢束管道下沉量较大，也能导 水泥浆状况（干燥状态） 致该截面预应力钢束对管道内壁的压力加大，梁体 应进行有效的修补。 出现纵向裂缝。理论分析如下：该小箱梁的预应力 ３．２预应力管道及７ 纵向构造钢筋净保护层厚度 束由曲线段和水平直线段组成，弯曲部分的管道内 分析 壁上缘将对预应力柬产生径向压力Ｐ。如图８所 根据表３的取芯结果，７ 纵向构造钢筋净保护 示，截取管道曲线部分的微分段，设曲率半径为常数 层厚度均大于设计值２．０ ｃｍ，为２．８～４．６ ｃｍ，偏差 ，．，Ｐ和ｒ分别为单位长度预应力束所受的法向压应 为＋０．５～＋２．７ ｃｍ。按ＪＴＧ Ｄ６２—２００４￣公路钢 力和摩擦力，Ｎ为预拉力， 为钢筋与管道壁的摩 擦系数，ｒ—ｐ 。将各力投影到 、Ｙ轴上，有下列 筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》第９．１．２ 平衡方程式： 条及条文说明的规定：“钢筋保护层既不能过小，也 不能过厚，当受拉区主筋的砼保护层厚度大 ∑ｚ＝０，一Ｎ＋（Ｎ＋ｄＮ）ｃｏｓ０＋ 于５０ ｍｍ时，应在保护层内设置防裂钢筋网”，７ ｄＯ舡 ｃ。ｓ －ｐｒｄＯｓｉｎ－ｄ－￣＝０ （１） 纵向构造筋保护层过厚是导致腹板纵向裂缝的一个 原因。根据表３的取芯结果，预应力管道净保护层 ∑Ｙ—ｏ，（Ｎ＋ｄＮ）ｓｉｎｄＯ一舡ｒｄＯｓｉｎ 一 厚度均大于设计值５．６ ｃｍ，为６．５～７．５ ｃｍ，偏差为 日 ＋０．９～＋１．９ ｃｍ ｐｒｄＯｃｏｓ 一０ （２） 公 １７０ Ｈｉｇｈｗａｙｓ 图８ 曲线管道微分段预应力束受力示意图 ｒ｛日 由于当∞一０时，ｃｏｓｄ０＝ＣＯＳ 一１，ｓｉｎｄ０一 ｄＯ，ｓｉｎ ｄＯ： ，略去高阶微量，则由式（１）和式（２） 可得： 一ｄＮ＝ｐｌ￣ｒｄＯ （３） Ｐ 一了 Ｎ一一（４） 由式（４）可知管道内壁对预应力束产生的径向 压力为Ｐ，那么预应力束对管道内壁产生的压力为 一Ｐ，预应力束对管道内壁产生的压力与该处预应 力筋的预拉力Ｎ成正比，与预应力筋的曲率半径ｒ 成反比。当由径向压力一Ｐ产生的对砼的拉应力大 于砼的抗拉强度标准值， 时，砼就会产生裂缝。 因此，预应力管道位置的偏差、预应力的张拉力 偏大及张拉时砼强度偏低均会引起这种裂缝，特别 是在跨中水平直线段预应力管道的偏差（管道存在 折点或曲率半径ｒ由无穷大变得非常小时），会使预 应力筋对管道的压力明显增大。 （４）预应力管道压浆状况分析。根据表３的取 芯结果，１ 、３＃、７ 芯样处预应力管道内的压浆状 况不饱满，３ 、７ 芯样处预应力管道内水泥浆呈现 分层的片状、有析出物且潮湿，说明预应力管道内局 部仍存在自由水。由于自由水的存在，冬季将发生 冻胀现象，而该种小箱梁使用的塑料波纹管的环钢 度相对铁皮波纹管要低，这就增大了冻胀导致沿预 应力管道裂缝的可能性。另外，裂缝呈现外宽内窄 的形状，也证实裂缝与管道内壁对管道外砼的压应 力有关系。 ４结论与建议 根据静载试验结果，得如下结论： （１）预应力管道压浆不饱满（呈现分层的片状、 第ｌ期 ２０１３年１月 有析出物）存在自由水（冬季会发生冻胀现象）、预应 力管道存在偏位及腹板７ 构造钢筋净保护层过厚 三方面原因，是导致该类箱梁出现沿预应力管道方 向纵向裂缝的主要因素。 （２）腹板外表面沿预应力管道方向的纵向裂 缝，裂缝宽度不随试验荷载变化，裂缝深度为３．０～ ４．５ ｃｍ，基本终于７ 纵向构造钢筋的外表面（腹板 外侧方向）附近，裂缝呈现外宽内窄的形状。该类裂 缝会导致构造钢筋过早出现锈蚀现象，长期将影响 桥梁的耐久性，应进行有效修补。 （３）腹板外表面沿预应力管道方向的纵向裂缝 对小箱梁的承载能力无影响。 为了避免该类２５ ｍ箱梁出现同类裂缝，根据 检测分析结果提出以下建议：１）按设计要求配置水 泥浆并做好管道真空压浆，保证压浆效果；２）严格 控制预应力管道的曲线偏位；３）如需冬期施工，要 严格按照ＪＴＧ／Ｔ Ｆ５０—２０１１《公路桥涵施工技术规 范》的要求做好养护工作，用蒸汽加热法养护砼时， 要严格控制砼的升、降温速度；４）严格控制７ 纵向 构造钢筋的安装偏差，确保净保护层的准确；５）对 已出现该类裂缝的箱梁，应采取有效措施进行裂缝 修补，保证桥梁的耐久性。 参考文献： ［１］ＪＴＧ Ｄ６２—２００４，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥 涵设计规范［Ｓ］． Ｅ２３ ＪＴＧ／Ｔ Ｆ５Ｏ一２０１１，公路桥涵施工技术规范ＥＳ］． ［３－１ 徐金华，田仲初，蒋田勇．预应力砼顶推连续梁桥裂缝 成因分析及预防Ｄ］．公路与汽运，２０１２（３）． ［－４１ 余海军．砼连续箱梁施工裂缝产生原因及控制Ｉ－ｊ］．公 路与汽运，２０１１（３）． ［５］ 赵利平，尹超裕，肖剑，等．武汉二七长江大桥钢槽梁顶 推中局部应力监测与分析［Ｊ］．交通科学与工程，２０１２， ２８（１）． －［６－］ 陈建兵，李淑琴，万水，等．悬臂波形钢腹板组合箱梁模 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