刚构桥砼裂纹分析

主讲人：***

职 称：教授级高工

单 位：交通部公路科学研究院

时 间：2009年6月

一、预应力混凝土连续刚构和连续梁桥发展简况

二、预应力混凝土连续刚构和连续梁桥箱梁裂缝调查情况

三、混凝土的强度特征

四、混凝土构件分类

五、引起混凝土构件开裂的主要原因

六、箱梁跨中截面下缘开裂和下挠过大

七、桥墩（或塔墩）靠承台区段的竖向裂缝

八、连续刚构和连续箱梁桥的裂缝

1、零号块的裂缝

2、箱梁节段间施工接缝处腹板竖向裂缝

3、箱梁腹板斜裂缝

4、箱梁跨中腹板竖向裂缝和与其相连的底板水平裂缝

5、箱梁翼板裂缝

6、箱梁顶板和底板纵向裂缝

7、箱梁底板保护层劈裂破坏

8、锚下混凝土开裂和锚垫板变形

9、齿板及其附近的裂缝

九、现场浇注钢筋混凝土和预应力混凝土连续箱梁桥常见裂缝或事故

十、建议

一、预应力混凝土连续刚构和连续梁桥发展简况

预应力混凝土连续刚构和连续梁桥是目前我国主跨80—200m公路桥的主要桥型，自1988年主跨180m连续刚构桥——广东洛溪桥建成以来，到2006年为止，已建成主跨100m以上此两类桥型达100余座，其中跨径200m以上达30余座，最大跨径达到270m。

二、预应力混凝土连续刚构和连续梁桥箱梁裂缝调查情况

1、箱梁开裂具有普通性

调查桥梁跨径范围从60m至270m，在列入普查统计的169座桥梁中，85%的桥梁出现了开裂。在详细调查的45座桥梁中，则100%出现开裂。考虑到一些基层单位的检测能力，提供普查数据的可靠性较低，基本可以认为这类型桥梁的开裂比例达到100%。

裂缝形态主要包括：底板横向裂缝和腹板下缘竖向裂缝，顶板横向裂缝和腹板上缘竖向裂缝，腹板斜裂缝，顶底板纵向裂缝，齿板锚前和锚后裂缝，沿预应力管道的裂缝和横隔板裂缝等。其中，腹板斜裂缝和顶底板纵向裂缝所占比例最大。

2、箱梁开裂的严重程度

轻度开裂：裂缝数量少，长度短，缝宽小于0.2mm，所占比例34%。

中度开裂：裂缝数量多，长度较长，缝宽小于0.2mm，所占比例21%。

重度开裂：裂缝数量较多，长度较长，缝宽大于0.2mm，所占比例45%。

其中，中重度开裂比例合计达66%。

跨中下挠过大和截面开裂（底板横向开裂和腹板下缘竖向开裂）对承载能力影响最大，有的桥已做大型加固。 

三、混凝土的强度特征

1、抗压强度高——《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）所列混凝土强度等级范围为C15~C80。有一种活性粉末混凝土抗压强度可从200Mpa到800Mpa。

2、抗拉强度低——只为抗压强度的12—6%（1/8.3—1/16.7），抗压强度愈高，此项百分比愈低。因此，单纯靠提高混凝土强度等级来防止开裂，效果并不理想。

四、混凝土构件分类

1、素混凝土构件——抗压能力高而抗拉能力低，主要用于以受压为主的构件，如桥梁墩台、圬工拱桥拱圈及拱上立柱等。

2、钢筋混凝土构件——在混凝土构件中配置普通钢筋，可显著提高其抗弯、抗剪能力。适用于桥梁墩台、塔柱、拱圈及拱上立柱、中小跨径梁式桥和刚架桥等。

由于普通钢筋的弹性模量值为2.0~2.1X105Mpa，为混凝土弹性模量的5~9倍，根据协调变形原理，在混凝土开裂前夕，假定其拉应力为2.0Mpa，对应的钢筋拉应力仅为10~18Mpa，远低于其抗拉强度，只有当混凝土开裂后，钢筋拉应力才会随开裂程度较明显地增长。这说明配置普通钢筋不能防止裂缝出现，只能在裂缝出现后其发展。实验表明，裂缝宽度超过一定数值，不仅构件刚度降低，而且还会因环境因素侵袭而导致钢筋锈蚀，危及耐久性，因而“桥涵规范”容许普通钢筋混凝土构件在正常使用极限状态下出现裂缝，但对裂缝宽度进行了（I类和II类环境限值为0.2mm，III类和IV类环境为0.15mm）。

3、预应力混凝土构件

1）全预应力混凝土构件：不允许构件内出现拉应力，因而不容许开裂。

2）部分预应力混凝土构件：

A类构件：容许构件内出现低于“桥涵规范”抗拉强度设计值的拉应力，但不容许开裂。

B类构件：在I类和II类环境容许构件内出现小于或等于0.1mm宽度的裂缝。

目前我国高速公路上的桥梁，绝大部分采用A类构件或全预应力构件，有些沿海桥梁明确规定不采用钢筋混凝土构件。

五、引起混凝土构件开裂的主要原因

1、荷载——包括自重、车辆荷载、人群荷载、施工设施荷载、风荷载、地震荷载、流水压力、冰压力、水浮力、土侧压力、预加应力。

2、变形——包括收缩、徐变、水化热、环境温度变化、强迫位移（如基础或支座变位）。构件间或同一构件不同部位间的约束作用、支座摩阻作用。

据调查资料，工程实践中结构物开裂的原因，由“变形”因素或以“变形”为主因素引起的裂缝约占80%，由“荷载”因素引起的裂缝约占20%。

对于超静定结构，如连续刚构、连续梁、拱、桁架，由“变形”因素引起的拉应力远超过静定结构，如简支梁。

但过去人们对“变形”因素的重视程度远不如“荷载”因素。施工阶段出现的裂缝，更是与“变形”因素紧密相关。

六、箱梁跨中截面下缘开裂和下挠过大病害

病害现象：跨中底板横向开裂，腹板下缘竖向开裂，两种裂缝连通成U形。

跨中及相当区域出现下挠，挠度随时间增长，有的不能收敛。

病害原因：

1、纵向预应力筋束用量偏少，或有效预应力不足；

2、结构弹性挠度大（这与布束有关），相应的徐变挠度也加大；

3、施工超方量大，使上述原因加重；

4、旧桥规对混凝土拉应力限值偏高（2004年桥规已打75折），对温差应力考虑偏低；

5、结构开裂后刚度下降，也会加重下挠；

6、预应力管道压浆不实。

改进措施：

1、施工中严格按设计和施工规范要求加足纵向预应力；

2、设计中合理配置纵向预应力筋束，尽量使恒载作用下箱梁截面处于均匀受压状态。从理论上讲，徐变不引起均匀受压构件产生挠度，只引起纵向变形。适当保持跨中下缘压应力储备（3MPa左右），有利于防止跨中下缘开裂，并降低徐变挠度；

3、采用收缩和徐变较小的混凝土材料；

4、严格控制施工超方；

5、预应力管道采用真空压浆技术，严格压实；

6、主动控制措施：在跨中区段底板上方布设可调可掉体外预应力筋束系统，当发生预应力损失和下挠后，可通过补张拉予以。

七、桥墩（或塔墩）靠承台区段的竖向裂缝

开裂现象：一般出现在第一、二浇注节段，竖向裂缝有一条或多条不符。

开裂原因：承台与桥墩（或塔柱）浇筑混凝土的龄期相差较大（20-30天或更长），承台混凝土的收缩先期基本完成，而桥墩（或塔柱）混凝土浇注后，其混凝土收缩和水化热降温引起的收缩相互迭加，加上大气降温等因素，形成颇大的收缩量，这种收缩受到承台接触面（约束面）的约束，在墩身内产生拉应力，导致开裂，称为“基岩约束效应”。

从理论上讲，最大的约束应力在约束边即桥墩与承台交接处，但通常竖向裂缝下端距约束边尚有一点距离，逐渐向上发展。这是因为桥墩混凝土在约束边处受到承台的“嵌固”作用，推迟或该处开裂，这种现象称为“模箍作用”。

防裂措施：

1、降低桥墩混凝土的收缩值和水化热值，配制低收缩、低水化热混凝土。一般采用降低水泥用量、掺加粉煤灰和精矿粉来实现。

2、最大限度降低桥墩混凝土与承台混凝土的龄期差。要求承台浇注完成后3-5天即浇注桥墩，已有成功实例。

八、连续刚构和连续箱梁桥的裂缝

1、零号块的裂缝

开裂现象：零号块高度大、体积大，一般分二次或多次浇注，其腹板上半段和顶板是最后浇注的，拆模时可在腹板上半段发现竖向裂缝，在顶板发现与之对应的水平缝。有的零号块还在底板和横隔板门洞附近出现裂缝。

开裂原因：零号块分二次或多次浇注，第一次浇注的混凝土已完成大部分收缩并降温，第二次浇注的混凝土的收缩和水化热降温引起的收缩，会受到第一层已浇混凝土的约束，因而开裂。其原因和承台上方桥墩开裂类似，称为“基岩约束效应”。

预防措施：

（1）采用低收缩低水化热混凝土。下大力改进配方，降低水泥用量，掺加粉煤灰和矿粉等。

（2）尽可能采用连续一次浇注，万一不得不采用二次浇注，也要尽可能缩短两次浇注的间隔时间。

（3）加强养护。

（4）采用冷却水管控制水化热温度。

2、箱梁节段间施工接缝处腹板竖向裂缝

开裂现象：竖向裂缝处于两施工节段之间，严重的缝宽1-2mm甚至更宽。

开裂原因：（1）悬臂浇注移动支架的整体刚度不够，浇注过程中变形大，吊带调节不灵；（2）混凝土浇注程序不对：先浇注后端（紧靠前一浇注节段），然后逐步向前端浇注，前端的荷载引起悬臂支架变形，导致后端混凝土裂开。

预防措施：（1）支架必须具备足够刚度和强度，必须采用相当于实际荷载的荷载预压，除强度满足需要外，其最大挠度应小于或等于2.0cm。（2）支架吊带应便于调节，当发现前端挠度较大时，可给予调回。精轧螺纹钢容易产生脆性破坏，是施工中的不安全因素。（3）采用正确的混凝土浇注顺序，即先浇注前端，从前到后逐步浇注，当全节段混凝土接近浇完时，才浇注节段接缝处混凝土。（4）万一施工中出现节缝开裂现象，必须向上级报告，停下来寻找原因，拟定整改措施，而不应隐瞒实情，用水泥砂浆一抹了之。

3、箱梁腹板斜裂缝

开裂现象：主跨和边跨都会出现，多发生在跨径1/4至端部范围，也有与水平缝相连发展到接近跨中的，一般呈25~50度倾斜。

开裂原因：腹板内实际主拉应力超过混凝土极限拉应力。

（1）设计方面原因：主拉应力计算值未考虑三维受力模式，低于实际主拉应力。按三维受力模式计算，箱梁自重、活载及其偏载、箱体内外温差、顶板横向预应力张拉和底板纵向预应力张拉，都会增加腹板拉应力，使腹板内侧主拉应力大于外侧（这与腹板内侧主拉应力缝多于外侧的实际情况吻合）。上述应力的组合，可增加拉应力值2MPa以上，对竖向预应力做大幅度抵销。旧规范对温差应力估计不足也是计算主拉应力偏小的原因。主拉应力容许值取用偏高（85年“桥规”所定混凝土轴心抗拉强度设计值偏高，C50为2.45Mpa；2004年“桥规”改为1.83Mpa）；腹板设计过薄。

（2）施工方面原因：竖向预应力张拉不足；竖向预应力钢筋管道压浆不密实；竖向预应力筋锚头锈蚀；腹板节段间裂缝使断面削弱导致主拉应力值等急剧增加；锚垫板不平整，导致预应力损失大。

改进措施：适当增加腹板厚度，如将跨中区段腹板厚度由40cm改为50cm，将根部区段由60cm改为50cm。采用三维受力模式计算主拉应力。张拉竖向预应力采用测力扳手，严格控制张拉到位，采用二次张拉，防止预应力损失，对预应力管道采用真空压浆技术，严格监控饱满度，封锚前认真清理锚头槽孔，最好能涂抹阻锈剂，并采用低收缩混凝土浇注密实。二次张拉钢绞线体系对锚垫板的不平整有较好的适应性，有可能减少预应力损失。

4、箱梁跨中腹板竖向裂缝和与其相连的底板水平裂缝

开裂现象：跨中区域腹板下方竖向开裂、底板水平开裂，二者相连形成  “└┘”形裂缝，有的桥在建成后若干年才出现这种裂缝。跨中挠度逐年增加，超过设计中考虑徐变因素的挠度值，有的桥在挠度逐年递增趋势放缓后，又出现递增加快状况。 

开裂原因：在恒载、活载诸因素作用下，中跨跨中为正弯矩区，下缘受拉，通过在下缘张拉预应力筋束产生的压应力来抵消上述拉应力，并使下缘保持必要的压应力储备，来防止开裂。当该项压应力不足以抵消拉应力时，箱梁下缘就会出现裂缝。具体原因有：

（1）底板纵向预应力束张拉不足，或预应力损失过大；

（2）实际的混凝土收缩、徐变超过设计值，收缩、徐变引起的预应力损失；

（3）桥梁实际截面尺寸和重量超过设计值，导致徐变影响增加；

（4）徐变发展导致箱梁挠度增加，跨中开裂，结构刚度降低（跨中开裂严重后会使其类似“塑性铰”），进一步导致箱梁挠度增加；

（5）预应力管道压浆不足，封锚质量不好，会引起锚头和预应力筋锈蚀，导致预应力损失。

预防措施：（1）纵向预应力张拉必须足够，防止预应力损失；（2）设计时充分考虑混凝土徐变因素；（3）采用真空压浆技术，严格控制饱满度，确保压浆饱满；（4）精心操作封锚工艺，封锚前认真清理锚头槽孔，涂抹阻锈剂，用环氧砂浆涂抹锚头，并采用低收缩混凝土浇注密实；（5）设置备用管道和备用束。

5、箱梁翼板纵向裂缝

开裂现象：翼板顺横向预应力钢筋孔道位置开裂。

开裂原因：翼板处于悬臂箱梁桥的受拉区，其拉应力靠施加纵向预应力予以抵消，在箱梁逐段浇注过程中，当前端张拉预应力时，预压应力在箱梁内是按一定斜角（约45度）传布的，在前几段的边缘即翼板部位会出现压应力死角。当在这些压应力死角区域（或预压应力储备很低区域）张拉横向预应力时，在横向预应力钢筋周围产生的拉应力与上述拉应力叠加，引起翼板开裂。 

预防措施：（1）在纵向预应力张拉节段后第三节段才能张拉横向预应力筋；（2）分二次张拉横向预应力筋。

6、箱梁顶板和底板纵向裂缝

（1）顶板纵向裂缝 

开裂现象：顶板跨中或跨中至加腋终点下方开裂。

开裂原因：未设横向预应力筋；横向有效预应力不足；纵向预应力筋张拉过大；由混凝土收缩、水化热升温后的降温和大气温度下降，引起的收缩受先浇节段约束而开裂。

预防措施：正确设计横向预应力筋，正确施工防止预应力损失；严格控制顶板纵向预应力筋张拉值；采用低收缩、低水化热混凝土，避免节段间浇注龄期过长，以七天为宜。

（2）底板纵向裂缝

开裂现象：底板顺纵向预应力筋（管道位置）开裂。

开裂原因：底板预应力筋束管道下方设计尺寸偏小，或实际施工的尺寸小于设计值；底板横向钢筋偏小偏稀；由混凝土收缩、水化热升温值降温和大气温度下降引起的收缩受先浇节段约束而开裂。

预防措施：底板纵向预应力管道下方应有足够尺寸；底板内应布设足够的防收缩钢筋；采用低收缩、低水化热混凝土。

（3）箱梁合龙段顶、底板纵向裂缝 

开裂现象：合龙段顶、底板各有数条纵向裂缝，一般不向相邻节段扩散。

开裂原因：合龙段混凝土与相邻节段混凝土之间的收缩差和水化热降温。

预防措施：合龙段更应采用低收缩、低水化热混凝土；尽量缩短合龙段与相邻节段的龄期差；加强养生，克服板的下方不便浇水养生的困难。

7、箱梁底板保护层劈裂破坏

损坏现象和原因：箱梁底板在纵向呈曲线形，其纵向预应力筋也呈曲线布设，张拉时会产生向下的径向分力，当底板未设置足够数量抵抗此径向分力的防崩钢筋时，便会产生劈裂，造成严重事故。

预防措施：（1）在底板中布置纵向预应力筋主束的同时，为保证底板上下层的纵横向构造钢筋构成整体骨架，应布置“平衡钢筋”（  形钢筋或称防崩钢筋）将上、下层横向钢筋连成整体。（2）底板中预应力孔道下方的混凝土保护层应有足够厚度。（3）待混凝土达到设计要求后才张拉纵向预应力。（4）底板内应布设足够数量的横向受力钢筋。

8、锚下混凝土开裂和锚垫板变形 

开裂现象：锚垫板周围混凝土开裂，锚垫板内凹。

开裂原因：混凝土强度不够，锚下配置局部加强钢筋不够。

预防措施：混凝土达到设计要求的张拉强度后再行张拉，仔细审查锚下配筋图，若不足则予以加强，并严格按设计图施工。

9、齿板及其附近的裂缝

（1）齿板尾部裂缝

开裂现象：齿板尾部及与之相连的顶板底板出现裂缝，甚至出现齿板尾部混凝土崩落。

开裂原因：张拉预应力筋束时，弯道内筋束对混凝土产生径向冲切力，预应力筋束弯道结束段的混凝土太薄，钢筋配置不足，导致混凝土冲坏。

预防措施：齿板尾部应有足够的尺寸，并配置足够的抗冲切力和拉力的钢筋。

（2）齿板前和齿板后的裂缝

开裂现象：顶板或底板锚前出现顺纵向预应力筋束方向的裂缝，锚后出现水平向或斜向裂缝。

开裂原因：锚前混凝土虽纵向受压，但横向受拉；锚后混凝土受拉，且锚侧混凝土受剪；设计中将齿板设于顶板或底板而未紧贴腹板；锚前和锚后未设抵抗局部拉应力和剪切力的钢筋。

预防措施：齿板应紧贴腹板设置，以改善其受力状况；齿板、齿板前和齿板后应配置足以抵抗局部拉应力和剪切力的钢筋。

九、现场浇注钢筋混凝土和预应力混凝土连续箱梁桥常见裂缝或事故

1、由支架问题引起的

（1）现象和原因：①支架强度和稳定不足，导致支架坍垮的重大事故；②支架变形过大（支架整体刚度不足，或对软地基未做处理致使支架沉降），导致连续梁浇注混凝土后，跨中下方和墩顶上方梁体开裂，梁体变形。严重者需整孔拆除重建。

（2）预防措施：①支架设计必须充分满足预定荷载作用下的强度和稳定性，支架安装必须完整，绝不采用有锈蚀缺损或变形缺损的杆件，绝不漏装前后左右方向的斜撑杆件。②支架的地基处理应规范，地基处理完毕后应做地基承载力试验，确保支架沉降在允许范围内。③支架安装完毕后必须按梁身重量的1.2倍进行预压，消除支架变形，经总监理工程师认可后方可施工。④拆架顺序：先翼板后底板，从跨中对称往两边拆，跨度大于20m时，支架拆除宜分两阶段，先从跨中对称往两端松一次架，再对称从跨中往两端拆，多跨连续箱梁应同时从跨中对称拆架。

2、由混凝土收缩和收缩差引起的

（1）现象和原因：

①三跨连续梁若整体浇注或浇注区段过长，在支架拆除之前，就可能因混凝土收缩（含水化热降温）而导致底板、顶板和腹板开裂。

②若采用水平分层浇注，即先浇注好底板和腹板，再浇注顶板，在桥墩上方的箱梁区段，其腹板已加厚，端横隔板也很强劲，由于其浇注在先，已完成大部分收缩，当顶板浇注后，其收缩及水化热降温收缩会受到腹板和端横隔板的约束，而产生顶板水平裂缝。

（2）预防措施：①三跨连续梁应纵向分段施工，在墩顶上方节段预留后浇注节段；②尽可能缩短顶板与腹板和端横隔板之间的龄期差；③采用低收缩、低水化热混凝土。

十、建议

1、关于零号块混凝土浇注

大体积混凝土分层浇注，容易因“基岩约束效应”产生裂缝。本桥零号块高度仅7m，具备一次浇注条件。如果因考虑节省支架而分层浇注，也应尽量避免两次浇注之间的间歇期，最好按3天考虑。

据调查，某桥1号块、2号块高达14m，采用一次浇注，效果很好。

2、关于夏季施工

夏季混凝土工程更易出现裂缝。建议参照有关规范，如《混凝土结构耐久性设计与施工指南》（中国土木工程学会标准CCES01-2004）和《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》（铁道部铁建设[2005]157号）有关规定，结合自身经验，制定出本桥夏季施工的要求和规定。

3、合理安排箱梁节段施工的周期，并尽量缩短合龙段与相邻段的间歇期。

4、加强施工监控和监理工作，特别要重视桥梁线形控制和方量控制，严格控制箱内外几何尺寸和平整度。