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【摘 要】 针对预应力混凝土箱梁桥开裂问题， 分析了结构裂缝产生的原因及加固措施。
【关键词】 混凝土箱梁桥 裂缝产生原因 加固措施
0 引言
预应力混凝土连续箱梁桥在广泛应用的过程中，由于设计和施工等各种原因，经常出现不同性质的裂缝，破坏了桥梁美观，影响了桥梁结构的承载安全性与使用耐久性。
裂缝型式按成因分类可分为收缩裂缝、徐变裂缝、温度裂缝、弯曲裂缝、剪切裂缝、弯剪裂缝、扭曲裂缝和局部应力裂缝等。按外在表现形式分为：腹板裂缝、顶板裂缝、底板裂缝。其中的弯曲裂缝是混凝土构件受弯矩作用产生的弯曲正应力超过混凝土的抗拉强度后出现的垂直裂缝。在分段式施工的箱梁中，弯曲裂缝一般出现在接缝内或接缝附近。在支座附近区域，剪切作用与弯曲作用叠加，在初始竖向开裂后，主拉应力会使腹板中产生倾斜裂缝[1]。
1 底板裂缝的破坏机理
根据某大型PC连续刚构桥在施工过程中跨中底板混凝土崩裂的情况，我们进行空间有限元底板模型的分析，如图2所示。
1.1 计算结果与参数分析
1.1.1 预应力因素
通过桥梁的平面与空间有限元的分析[1]，表明：
（1）腹板剪应力受中间支座负弯矩区段预应力筋布置方式（直线束或弯起束）影响不大。
（2）竖向预应力大小对腹板剪应力没有什么影响，但对全桥范围内腹板主拉应力均有影响。计算结果表明：不计竖向预应力作用与计入50%设计张拉控制力相比，腹板主拉应力一般增大一倍左右。当腹板竖向有效预应力由50%设计张拉控制力减小为30%张拉控制力时，第一主应力（压应力）减小40%。
（3）中间支座负弯矩预应力筋布置方式对该预应力筋作用范围内的腹板主拉应力影响很大。直线布束与弯起布束相比，腹板主拉应力增大33%～268%。但布束方式对边墩现浇段腹板主拉应力影响不大。
1.1.2 箱梁的剪力滞效应与畸变应力
通过一些桥例的平面有限元与空间有限元的计算数值比较[2，3]，可以看出：
（1）剪力滞效应严重地受到宽跨比、梁高比、荷载类型及截面位置的影响，宽箱梁的剪力滞效应比窄箱梁严重；而横截面悬臂长度、腹板倾斜程度等截面几何参数对剪力滞效应的影响不大，可以用矩形截面来代替梯形截面进行剪力滞分析。
（2）对于翼缘净悬出宽度与跨径之比小于0.05的连续箱梁桥，剪力滞效应对结构的影响并不明显，设计时可不考虑翼板有效宽度的折减。
（3）集中力作用处剪力滞效应与其它截面相比明显增大，有效宽度沿全桥跨长方向并不是同一个值。
在反对称荷载作用下，箱形截面将发生扭转。在约束扭转时，正截面上产生约束扭转正应力。如果箱壁尺寸较小，而横隔板又非常薄弱，则箱形截面在横截面内将产生畸变。因截面变形而产生的附加应力可能等于纵向挠曲所产生的应力，而横向应力则可超过挠曲应力的几倍。
1.1.3 混凝土的收缩徐变效应
混凝土收缩徐变，影响混凝土结构的长期使用性能。对结构的内力和截面上的应力产生如下的影响[4]：
（1）结构在受压区的收缩与徐变将会增大挠度；
（2）徐变对偏心受压柱将引起弯曲的增大，因此增大了初始偏心，降低柱的承载力；
（3）在预应力或部分预应力混凝土构件中，收缩与徐变将导致预应力损失；
（4）徐变将使构件的组合截面产生应力重分布；
（5）徐变会导致超静定结构内力重分布，也就会引起结构次内力。
影响混凝土收缩与徐变的因素很多，在徐变系数和收缩系数的数学表达式中有所反映。公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004）采用了CEB-FIP1990模式。
1.1.4 混凝土箱梁桥的温差应力
中交公路规划设计院的研究表明：对于跨中截面，活荷载在截面下缘产生的拉应力为3.85MPa，而最大温度应力可达2.656MPa；对于支点截面，活荷载在截面上缘产生的拉应力为2.117MPa，相对应的温度应力为1.715MPa。浙江工业大学建筑工程学院研究报告对桥例的计算结果显示，荷载组合5作用下，中跨跨中截面下缘主拉应力为5.88MPa，而温差应力是4.60MPa；距15#墩L/4处即B断面底板主拉应力为5.61MPa，而温差应力是1.74MPa。可见，温度应力在整个桥梁设计中占有很大的比重。
1.1.5 箱梁桥的构造因素
（1）关于边跨与中跨的比例
边跨与主跨比例配置是否适当直接影响到结构受力的合理性。若边跨与主跨跨径之比太大，在恒、活载作用下，边跨的现浇段部分会出现较大的主拉应力，易使混凝土开裂，边跨加载对中跨箱梁的结构受力也不利。若边跨与主跨跨径之比过小，则边跨支点可能会出现向上的拉力，同时连续梁各跨的刚度会有较大的差异。
（2）横隔板的设置
作为设计上的安全储备或构造要求和弥补平面计算分析不足，应该设置。通过桥例一和桥例二两座连续箱梁桥的有限元分析，表明在支座处设置横隔板有利于减小支点负弯矩。
（3）腹板
腹板厚度的变化对截面应力状况的变化非常敏感。当腹板厚度稍有增加，截面的正应力、剪应力和主拉应力均有良好的改善。
2 底板的防治措施
（1） 裂缝修补技术
①表面处理法。采用在微裂缝的表面涂抹填料及防水材料的方法，以提高防水性和耐久性。如宽度发生裂缝，则应使用有伸缩性的材料。
②注浆法。将树脂或水泥类材料注入裂缝。主要注浆材料是环氧树脂，采用低压低速注入法，可防止裂缝继续发展。
③充填法。适用于修补较宽裂缝。首先沿裂缝凿一条深槽，然后将各种粘结材料，如水泥砂浆、环氧砂浆、沥青、化学补强剂等注入槽内嵌补。
④此外还有表面喷涂法和粘结钢板封闭法等裂缝修补技术。
（2） 桥梁加固增强技术
①桥梁结构加固增强技术之一是根据荷载大小加大截面面积和加配钢筋。
②通过环氧树脂等粘合剂将型钢、玻璃钢等材料粘贴在结构外部，此为外部粘贴加固法。
③运用预应力原理，在构件上施加一定初始应力的一种加固方法，称为外部预应力加固法，它可以起到减小裂缝宽度甚至闭合裂缝的作用。
④改变结构体系加固法，即通过增设支撑或桥墩，在梁下增设钢架等提高承载能力。
（3） 桥梁结构加固新技术——锚喷
锚喷是将锚杆和喷混凝土组合的支护围岩的技术措施，施工中加入速凝剂，具有快凝、早期强度高的特点。该技术可设计性强，即可按照加固整治的实际需要施喷。
3 结束语
引起梁式桥梁开裂的因素很多，涉及到多方面，有些裂缝是几种因素综合作用的结果。有预应力因素（纵向、竖向、横向）、箱梁因素（剪力滞、翘曲、畸变、扭转）、荷载因素（收缩徐变、支座沉降、温度梯度、动荷载）、构造因素（梁高、孔跨布置、腹板厚度、横隔板设置）等，我们应该从设计和施工两方面对此问题引起足够的重视，从而解决实质性的桥梁病害。
参考文献
[1] 邹毅松.周鹏.王银辉.彭卫.PC连续箱梁桥裂缝影响因素分析.交通标准化.2011（5）
[2] 徐咏梅，周志祥，沈小俊.薄壁箱形构件预应力钢束净保护层厚度的讨论.重庆交通学院学报.2005年第6期
[3] 程灏.大跨度预应力混凝土连续刚构桥箱梁底板裂缝成因分析.贵州工业大学学报（自然科学报）.2008年第3期
[4] 于彩波，方明.箱型梁横隔板的设置[J].内蒙古公路与运输.2003[4]
[5] 吴海灵. 道路桥梁结构病害及加固技术分析[J].黑龙江交通科技.20011[10]
【关键词】 混凝土箱梁桥 裂缝产生原因 加固措施
0 引言
预应力混凝土连续箱梁桥在广泛应用的过程中，由于设计和施工等各种原因，经常出现不同性质的裂缝，破坏了桥梁美观，影响了桥梁结构的承载安全性与使用耐久性。
裂缝型式按成因分类可分为收缩裂缝、徐变裂缝、温度裂缝、弯曲裂缝、剪切裂缝、弯剪裂缝、扭曲裂缝和局部应力裂缝等。按外在表现形式分为：腹板裂缝、顶板裂缝、底板裂缝。其中的弯曲裂缝是混凝土构件受弯矩作用产生的弯曲正应力超过混凝土的抗拉强度后出现的垂直裂缝。在分段式施工的箱梁中，弯曲裂缝一般出现在接缝内或接缝附近。在支座附近区域，剪切作用与弯曲作用叠加，在初始竖向开裂后，主拉应力会使腹板中产生倾斜裂缝[1]。
1 底板裂缝的破坏机理
根据某大型PC连续刚构桥在施工过程中跨中底板混凝土崩裂的情况，我们进行空间有限元底板模型的分析，如图2所示。
1.1 计算结果与参数分析
1.1.1 预应力因素
通过桥梁的平面与空间有限元的分析[1]，表明：
（1）腹板剪应力受中间支座负弯矩区段预应力筋布置方式（直线束或弯起束）影响不大。
（2）竖向预应力大小对腹板剪应力没有什么影响，但对全桥范围内腹板主拉应力均有影响。计算结果表明：不计竖向预应力作用与计入50%设计张拉控制力相比，腹板主拉应力一般增大一倍左右。当腹板竖向有效预应力由50%设计张拉控制力减小为30%张拉控制力时，第一主应力（压应力）减小40%。
（3）中间支座负弯矩预应力筋布置方式对该预应力筋作用范围内的腹板主拉应力影响很大。直线布束与弯起布束相比，腹板主拉应力增大33%～268%。但布束方式对边墩现浇段腹板主拉应力影响不大。
1.1.2 箱梁的剪力滞效应与畸变应力
通过一些桥例的平面有限元与空间有限元的计算数值比较[2，3]，可以看出：
（1）剪力滞效应严重地受到宽跨比、梁高比、荷载类型及截面位置的影响，宽箱梁的剪力滞效应比窄箱梁严重；而横截面悬臂长度、腹板倾斜程度等截面几何参数对剪力滞效应的影响不大，可以用矩形截面来代替梯形截面进行剪力滞分析。
（2）对于翼缘净悬出宽度与跨径之比小于0.05的连续箱梁桥，剪力滞效应对结构的影响并不明显，设计时可不考虑翼板有效宽度的折减。
（3）集中力作用处剪力滞效应与其它截面相比明显增大，有效宽度沿全桥跨长方向并不是同一个值。
在反对称荷载作用下，箱形截面将发生扭转。在约束扭转时，正截面上产生约束扭转正应力。如果箱壁尺寸较小，而横隔板又非常薄弱，则箱形截面在横截面内将产生畸变。因截面变形而产生的附加应力可能等于纵向挠曲所产生的应力，而横向应力则可超过挠曲应力的几倍。
1.1.3 混凝土的收缩徐变效应
混凝土收缩徐变，影响混凝土结构的长期使用性能。对结构的内力和截面上的应力产生如下的影响[4]：
（1）结构在受压区的收缩与徐变将会增大挠度；
（2）徐变对偏心受压柱将引起弯曲的增大，因此增大了初始偏心，降低柱的承载力；
（3）在预应力或部分预应力混凝土构件中，收缩与徐变将导致预应力损失；
（4）徐变将使构件的组合截面产生应力重分布；
（5）徐变会导致超静定结构内力重分布，也就会引起结构次内力。
影响混凝土收缩与徐变的因素很多，在徐变系数和收缩系数的数学表达式中有所反映。公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004）采用了CEB-FIP1990模式。
1.1.4 混凝土箱梁桥的温差应力
中交公路规划设计院的研究表明：对于跨中截面，活荷载在截面下缘产生的拉应力为3.85MPa，而最大温度应力可达2.656MPa；对于支点截面，活荷载在截面上缘产生的拉应力为2.117MPa，相对应的温度应力为1.715MPa。浙江工业大学建筑工程学院研究报告对桥例的计算结果显示，荷载组合5作用下，中跨跨中截面下缘主拉应力为5.88MPa，而温差应力是4.60MPa；距15#墩L/4处即B断面底板主拉应力为5.61MPa，而温差应力是1.74MPa。可见，温度应力在整个桥梁设计中占有很大的比重。
1.1.5 箱梁桥的构造因素
（1）关于边跨与中跨的比例
边跨与主跨比例配置是否适当直接影响到结构受力的合理性。若边跨与主跨跨径之比太大，在恒、活载作用下，边跨的现浇段部分会出现较大的主拉应力，易使混凝土开裂，边跨加载对中跨箱梁的结构受力也不利。若边跨与主跨跨径之比过小，则边跨支点可能会出现向上的拉力，同时连续梁各跨的刚度会有较大的差异。
（2）横隔板的设置
作为设计上的安全储备或构造要求和弥补平面计算分析不足，应该设置。通过桥例一和桥例二两座连续箱梁桥的有限元分析，表明在支座处设置横隔板有利于减小支点负弯矩。
（3）腹板
腹板厚度的变化对截面应力状况的变化非常敏感。当腹板厚度稍有增加，截面的正应力、剪应力和主拉应力均有良好的改善。
2 底板的防治措施
（1） 裂缝修补技术
①表面处理法。采用在微裂缝的表面涂抹填料及防水材料的方法，以提高防水性和耐久性。如宽度发生裂缝，则应使用有伸缩性的材料。
②注浆法。将树脂或水泥类材料注入裂缝。主要注浆材料是环氧树脂，采用低压低速注入法，可防止裂缝继续发展。
③充填法。适用于修补较宽裂缝。首先沿裂缝凿一条深槽，然后将各种粘结材料，如水泥砂浆、环氧砂浆、沥青、化学补强剂等注入槽内嵌补。
④此外还有表面喷涂法和粘结钢板封闭法等裂缝修补技术。
（2） 桥梁加固增强技术
①桥梁结构加固增强技术之一是根据荷载大小加大截面面积和加配钢筋。
②通过环氧树脂等粘合剂将型钢、玻璃钢等材料粘贴在结构外部，此为外部粘贴加固法。
③运用预应力原理，在构件上施加一定初始应力的一种加固方法，称为外部预应力加固法，它可以起到减小裂缝宽度甚至闭合裂缝的作用。
④改变结构体系加固法，即通过增设支撑或桥墩，在梁下增设钢架等提高承载能力。
（3） 桥梁结构加固新技术——锚喷
锚喷是将锚杆和喷混凝土组合的支护围岩的技术措施，施工中加入速凝剂，具有快凝、早期强度高的特点。该技术可设计性强，即可按照加固整治的实际需要施喷。
3 结束语
引起梁式桥梁开裂的因素很多，涉及到多方面，有些裂缝是几种因素综合作用的结果。有预应力因素（纵向、竖向、横向）、箱梁因素（剪力滞、翘曲、畸变、扭转）、荷载因素（收缩徐变、支座沉降、温度梯度、动荷载）、构造因素（梁高、孔跨布置、腹板厚度、横隔板设置）等，我们应该从设计和施工两方面对此问题引起足够的重视，从而解决实质性的桥梁病害。
参考文献
[1] 邹毅松.周鹏.王银辉.彭卫.PC连续箱梁桥裂缝影响因素分析.交通标准化.2011（5）
[2] 徐咏梅，周志祥，沈小俊.薄壁箱形构件预应力钢束净保护层厚度的讨论.重庆交通学院学报.2005年第6期
[3] 程灏.大跨度预应力混凝土连续刚构桥箱梁底板裂缝成因分析.贵州工业大学学报（自然科学报）.2008年第3期
[4] 于彩波，方明.箱型梁横隔板的设置[J].内蒙古公路与运输.2003[4]
[5] 吴海灵. 道路桥梁结构病害及加固技术分析[J].黑龙江交通科技.20011[10]