变截面预应力混凝土箱梁底板劈裂的原因和预防措施

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摘要：本文以某连续刚构桥为例，讲述箱梁底板崩裂的表现形式，并分析病害产生的原因和预防措施，希望对同类桥梁的设计有借鉴作用。

关键词：箱梁底板；崩裂；原因；预防措施

中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：

一、前言

近年来，国内有多座变截面预应力混凝土箱梁桥底板在施工或使用过程中出现了箱梁底板劈裂的现象。分析劈裂的原因，一是设计上不重视，没有设计底板防崩钢筋，或设计的底板防崩钢筋过少，或防崩钢筋形式设计不合理，没有起到应有的作用，二是施工中没有确保设计的防崩钢筋到位。

二、病害表现形式

某大桥为115+2x200+115m四跨三向预应力混凝土连续刚构桥，大桥为左右分离的两幅桥。单幅桥箱梁为单箱单室截面，箱梁顶面宽12m，箱宽6.5m。箱梁采用挂篮悬臂浇注，先合拢边跨后合拢中跨。在施工期间，当中跨合拢后，张拉部分边跨底板钢束而未张拉中跨底板钢束时，在边跨18号块件（靠近悬臂端18m的块件）内底板底面底板束下方混凝土大面积破损脱落，底板合拢束及底板钢筋发生向下的变形，变形值在5cm左右，部分波纹管被撕裂，混凝土破损集中在边跨18号块件（靠近悬臂端18m的块件）内，破损部位基本覆盖底板束，底板顶面采用敲击听音法测得底板束上面的部分混凝土不密实。下图为底板破损的一些照片。

图1 边跨18号梁段底板右侧混凝土出现开裂，部分混凝土脱落

图2 底板仰视（横向钢筋出现明显下弯）

图3 波纹管被撕裂

三、病害产生的原因

为了分析破损的原因，对该桥进行了结构分析计算。计算结果表明各阶段边跨18号块件的底板受力基本合理，排除了破损原因是因纵向受力所引起。可能是由于张拉底板索后，底板索产生的向下崩力较大，而靠近腹板的底板（距腹板外缘线近70cm范围）未见防崩钢筋，导致底板保护层大面积脱落，底层钢筋和钢束管道间混凝土崩碎，混凝土的破坏形态为抗拉和抗剪破坏两种，钢筋和管道产生向下的变形，底板束向下的崩力，即径向力是病害出现的最基本的原因。

由于变截面的连续梁桥各梁段内完全采用直线连接，梁段接头处出现折角，或者预应力管道定位不准确，出现了折点。这样，底板纵向钢束将对底板下层混凝土导致较大的径向分力，径向力产生原理见图4。任意点径向分力集度q=T/r，其中T为该点有效预应力，r为该点曲率半径。

图4 纵向预应力径向分力产生原理

此径向力对于箱梁的横向受力最大危害主要有两个方面。其一是对箱梁底板产生弯矩，如箱梁底板的横向配筋不足，将使图4中底板A点和B点出现纵向裂缝；其二是引起箱梁底板内部竖向受拉，由于底板布置了较多的纵向预应力管道，使得混凝土人为地分成了两层，极易造成混凝土劈裂，见图5，图中阴影部分较容易剥落，国内已发生多起这种现象。

图5 底板劈裂示意图

经认真分析认为此桥病害由如下几方面所致：

1.本设计中边跨18号块件底板钢束B403靠近腹板侧以及B403和B402之间没有设置防崩钢筋。

图6 箍筋和防崩钢筋布置

从破损的梁底查看，在距腹板外缘线近70cm范围内未见防崩钢筋，当径向力较大时，底板钢束B403和B402之间的混凝土发生抗拉破坏，导致底板底层钢筋发生向下变形，因钢筋直径为￠20，刚度较大，其对混凝土保护层也有撬扳作用，因此导致保护层大面积脱落。

2.预应力管道定位不准确造成管道的曲率半径减小，使径向力加大。

图7 底板混凝土破损斜向裂缝

从施工现场以及18号梁段底板混凝土破损形成的斜向裂缝图（图7）来看，预应力钢束外缘到纵向钢筋的斜向距离为25cm，如按照30°计算，钢束外缘到纵向钢筋的中心为12.5cm，则管道中心到混凝土边缘的距离为12.5+12.7/2+5.6＝24.5cm，而设计管道到底板下缘的距离为15cm，即预应力管道发生上浮，出现折点，使得管道的曲率半径减小，径向力增大。

3．边跨底板钢束的防崩钢筋布置有缺陷。

①防崩钢筋与预应力钢束存在相互干扰，导致钢束定位不准确或者防崩钢筋不到位，底板钢束B403靠近腹板侧没有布置防崩钢筋。

②防崩钢筋按梅花形布置，部分钢束两侧没有防崩钢筋。

③防崩钢筋是闭合箍，施工较困难。

四、此桥处理病害方法

经过对病害的分析，经充分研究，最终确定处理方法为解除边跨底板束，拆除18号块件底板混凝土，保留原有钢筋，并在底板钢束两边增设防崩钢筋，确保防崩钢筋勾住底板上下层横向钢筋，重新浇注快件，张拉边跨底板束。拆除18号块件底板后，腹板下缘混凝土压应力增加7.4MPa，底板下缘混凝土压应力减少3.8MPa，各个工况腹板最大混凝土压应力和底板最小混凝土压应力均能满足规范要求并留有一定储备。采取的具体措施如下：

波纹管定位准确。

底板每个管道沿纵向一定距离设置定位钢筋，定位钢筋大样为“”型，并与上下横筋点焊，一个“”型定位钢筋共有8个点焊点，并使施工操作方便且到位，使波纹管定位准确，不发生位置变动。

2．在波纹管两侧设置防崩钢筋。

由于以往将防崩钢筋设置为封闭的箍筋等复杂形式，施工起来比较困难；有的设置为“[”型，容易脱落，有点设计为开口向下的箍筋，均造成防崩钢筋不到位，没有起到防崩钢筋的作用。此处防崩钢筋两边设置135°弯勾，一端可提前弯好，另一端可现场用扳手扳成135°弯勾，确保勾住底板上、下缘横筋，抵抗底板钢束对底板的径向力。

五、设计中应采取的预防措施

为了避免此种病害的发生，箱梁底板应设置防崩钢筋，防崩钢筋的设置应遵循以下几点：

1．在钢束两侧均应设置防崩钢筋。

防崩钢筋设置在钢束两侧，距离钢束较近，能起到防崩的作用，若防崩钢筋距离钢束较远，则效果较差，甚至起不到防崩的作用，因此在每根钢束两侧均应布置防崩钢筋，没有钢束的地方，防崩钢筋的横向间距可适当加大。

2．防崩钢筋大样为“[”型，上下设成135°弯勾。

以前的防崩钢筋大样有封闭的，也有开口的，封闭箍筋较难施工，施工质量不好保证，开口向下的防崩钢筋起不了作用，开口向上的防崩钢筋容易脱落，因此防崩钢筋大样设置为“[”型，两边设置135°弯勾，一端可提前弯好，另一端可现场用扳手扳成135°弯勾，并使弯勾留有足够的长度，确保勾住底板上、下缘横筋，抵抗底板钢束对底板的径向力。

3．防崩钢筋顺桥向间距不宜超过两个横向钢筋间距，也不宜梅花形布置，避免部分钢束两侧没有防崩钢筋。

4.应在设计说明中强调此种钢筋为受力钢筋，不得随意去除或改变钢筋位置，保证设计的钢筋准确到位。

六、结束语

变高度连续箱梁为较大跨径桥梁的普遍结构形式，因此该桥出现的病害具有普遍性和代表性，本文分析了病害产生的原因和防止措施，希望能对同类桥梁起到借鉴作用，避免今后出现类似的病害。