預應力混凝土結構裂縫分析與防治

郟亞坤　李豪

[摘要]開裂是預應力混凝土連續(xù)梁中一項突出問題，通過對常見裂縫按其力學特性分為彎曲裂縫、剪切裂縫、扭曲裂縫、斷開裂縫、局部應力裂縫五類，從而從預應力混凝土連續(xù)梁的設計、施工和養(yǎng)護三個方面進行改進，并提出相應的改進措施，達到防治預應力混凝土連續(xù)梁出現(xiàn)影響正常使用的裂縫的目的。

[關鍵詞]預應力混凝土 連續(xù)梁 裂縫 養(yǎng)護

一、引言

隨著預應力混凝土連續(xù)梁式橋特別是大跨度連續(xù)梁式橋的大量修建，出現(xiàn)或大或小問題的橋梁也越來越多。根據(jù)中交公路規(guī)劃設計院對建成的部分大跨徑預應力混凝土連續(xù)梁式橋的調查結果可知，預應力混凝土連續(xù)梁式橋存在的突出問題是混凝土結構的開裂。

如某大橋主橋預應力混凝土連續(xù)梁式橋在L/4截面附近梁腹表面出現(xiàn)的與頂板大致呈20°-60°夾角的斜向裂縫，大多由頂板和腹板交界處開始，向下延伸至1/3-1/2梁高處，方向基本與主拉應力方向垂直[1]。這些斜向裂縫屬于主拉應力裂縫，這些裂縫可能會影響結構的正常使用或結構的耐久性。

為了探明預應力混凝土結構裂縫產生的規(guī)律和形成的機理，特進行裂縫分析研究，提出從設計、施工、養(yǎng)護等三個方面進行裂縫的防治和分析，這對有效的預防部分預應力混凝土結構出現(xiàn)的影響正常實用功能的裂縫有著較好的指導作用。

二、預應力混凝土結構的特點

預應力混凝土結構不同于鋼筋混凝土結構，分析其特點對于裂縫的分析和防治有著較好的指導意義。其特點總結如下：

1）采用預應力混凝土結構能夠提高構件的抗裂度和剛度[2]。

2）采用預應力混凝土結構可以節(jié)省材料，減少自重。預應力混凝土由于采用高強材料，因而可以減小構件截面尺寸。

3）使用預應力混凝土結構能夠保證結構質量、使用耐久。

4）使用預應力混凝土結構能夠促進了橋梁結構新體系與施工方法的發(fā)展。

三、裂縫的分類和成因

根據(jù)裂縫的力學特性將混凝土裂縫分為以下幾類：

1）彎曲裂縫。一般是垂直裂縫，是混凝土構件受彎矩作用產生的裂縫。彎曲裂縫首先出現(xiàn)在彎矩最大截面的混凝土受拉區(qū)。

2）剪切裂縫。又稱斜裂縫，首先發(fā)生在剪應力最大的部位。剪切裂縫一般發(fā)生在支點附近，由主拉應力引起，沿中性軸呈25°-45°開裂。

3）扭曲裂縫。它是混凝土構件受彎曲和扭轉共同作用下而產生的裂縫，此類裂縫一般呈45°傾斜，并有多條。

4）斷開裂縫?；炷翗嫾芾瓡r截面上產生的裂縫稱為斷開裂縫，沿正截面開展。

5）局部應力裂縫。由局部應力引起的裂縫，主要出現(xiàn)在支座、錨頭首局部應力較大的部位或突然受撞擊的部位。

四、防治裂縫的方法和相應的措施

（一）設計中的防治措施

1）通過配置預應力剪力鋼筋（豎向箍筋和斜筋）來預防裂縫。

對于上述裂縫成因中，以剪切破壞的危害最大。對于預應力鋼筋混凝土結構，由于彎剪共同作用下，可能發(fā)生斜截面破壞。斜截面破壞前總要發(fā)生彎矩和剪力引起的主拉應力裂縫，但此時構件還未喪失承載能力。預應力混凝土結構沿斜截面破壞的原因有如下兩個：

1.彎矩破壞。當量內縱向鋼筋配置不足時，鋼筋屈服后，裂縫分開的兩部分將圍繞其受壓區(qū)中性點轉動。此時，斜裂縫擴張，受力區(qū)減小，最后混凝土產生法向裂紋而破壞。

2.剪力破壞。當梁內縱向鋼筋配置較多，且錨固可靠時，則阻礙著裂縫兩側部分的相對轉動，受壓區(qū)混凝土在壓力和剪力的共同作用下被剪斷或壓碎。此時，距受壓區(qū)較遠的鋼筋達到屈服強度，而另一部分尚未達到。

相對于鋼筋混凝土梁，預應力混凝土梁中的預加應力可以推遲斜裂縫的形成和發(fā)展，因而其抗剪能力有較大的提高。

2）合理布置橋跨。

合理的橋跨布置主要包括橋跨的總長度和橋梁各垮的跨徑分配以及橋高等方面。就橋跨總長度而言，根據(jù)《公路橋梁設計手冊》，預應力混凝土連續(xù)梁的最大理論跨度為250～300m，經濟跨度為100～240m。對于預應力混凝土連續(xù)橋，由于其連續(xù)變形的特點，孔跨布置一般宜采用不等跨的形式，其邊跨和主跨之比是否合適，直接影響到結構的受力合理性。從理論上講，對于連續(xù)梁式橋，一般邊跨長度取為中跨跨徑的0.5～0.8倍，這樣可以使中間跨中不致產生異號彎矩，對減少裂縫的產生有很大的作用。

（二）施工階段的防治措施

預應力混凝土結構中預應力是預先施加在渾南凝土梁中的永久性內應力，但是預應力在不同的施工條件會有不同的預應力損失，導致后期再外荷載的作用下產生各種裂縫，故必須控制預應力損失。

預應力損失包括六項，分別為：1、預應力筋和管道壁間摩擦引起的損失（σι1）2、錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮引起的應力損失（σι2）3、鋼筋和臺座間的溫差引起的應力損失（σι3）4、混凝土彈性壓縮引起的應力損失（σι4）5、鋼筋松弛引起的應力損失（σι5）6、混凝土收縮和徐變產生的應力損失（σι6）

相應的措施：1、通過超張拉來減小σι1和σι2。2、通過選擇變形小的錨具來減小σι2。3、通過二次升溫的養(yǎng)護方法，即初次升溫的溫度控制在20℃以內，待混凝土達到一定的強度能夠阻止鋼筋在混凝土中的自由滑移后，再將溫度升至所需溫度進行養(yǎng)護，應力損失（σι3）。4、通過選擇低松弛的鋼筋，低收縮、徐變的混凝土來減小σι4σι5σι6。

（三）養(yǎng)護階段的預防裂縫措施

混凝土養(yǎng)護包括濕度和溫度兩個方面，養(yǎng)護不僅是澆水，還是控制混凝土的溫度變化，在濕養(yǎng)護的同時，應該保證混凝土表面溫度與內部溫度和所接觸的大氣溫度之差不出現(xiàn)過大的差異，采取保溫和散熱的綜合措施，防止溫降和溫差過大。

混凝土溫度控制的原則：1、升溫不要太早和太高；2、降溫不要太快3、混凝土中心和表面之間，新老混凝土之間，以及混凝土表面和氣溫之間的溫差都不要太大。相應的措施：

①降低入模溫度。同樣的混凝土，入模溫度高的其溫升值要比入摸溫度低的大得多。這主要是由于混凝土僵住溫度越高，水化反應愈快，釋放的熱量愈多，升溫愈高，又進一步加速水化反應。因此必須對入模溫度進行控制、即在溫度很高時應采取措施設法降低混凝土的入模溫度到適當值。

②控制最高溫度：通?？扇〉没炷翜囟瓤刂浦?，為混凝土入模后的內部最高溫度，一般不高于65℃，最好控制在60℃以下。

四、結語：

預應力混凝土連續(xù)梁的開裂是預應力混凝土結構中的突出問題，通過在設計、施工、養(yǎng)護三個方面的該井，提出相應的措施來控制預應力混凝土結構的裂縫，這對防止預應力混凝土連續(xù)梁中的裂縫有著積極的指導作用。

[參考文獻]

[1]朱漢華，陳孟沖，袁迎捷.預應力混凝土連續(xù)箱梁裂縫分析與防治.人民交通出版社，2006.3

[2]葉見曙，李國平.結構設計原理.人民交通出版社，2005.5

（作者單位：鄭州大學水利與環(huán)境學院）