ｌｍ程建设与设计 ｌＣｏｒ￣ｔｒｕｃｔｉｏｎ＆Ｄｅｓｌｇ￣ＦｏｒＰｒｏｊｅｃｔ 预应力混凝土公路桥梁开裂现象分析 Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｃｒａｃｋｉｎｇ Ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｏｆ Ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｏｆ Ｈｉｇｈｗａｙ Ｂｒｉｄｇｅ 张元元 （长沙市规划设计院有限责任公司，长沙４１０００７） ＺＨＡＮＧ Ｙｕａｎ—ｙｕａｎ （ＣｈａｎｇｓｈａＰｌａｎｎｉｎｇ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１０００７，Ｃｈｉｎａ） 【摘 要】预应力混凝土桥梁因其优越的工作性能和跨越能力，被广泛应用于公路桥梁领域，但其在荷载、环境等因素 的作用下仍会产生裂缝，影响工作性能和耐久性。论丈就预应力混凝土桥梁产生裂缝的原因进行简单分析，并从设计的 角度提出相应的建议，以期为设计人员提供参考。 【Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｉｔｓ ｓｕｐｅｉｒｏｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｎｄａ ｃｒｏｓｓｉｎｇ ａｂｉｌｉｔｙ，ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｂｒｉｄｇｅ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｉｆｅｌｄ ｏｆ ｈｉｇｈｗａｙ Ｂｒｉｄｇｅｓ，ｈｏｗｅｖｅｒ，ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｌｏａｄ，ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｆａｃｔｏｒｓ，ｃｒａｃｋｓ ｓｔｉｌｌ ＯｃｃＢｒ，ｗｈｉｃｈ ａｆｆｅｃｔ ｈｅ ｔｗｏｒｋｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｍａｋｅｓ ａ ｓｉｍｐｌｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆｔｈｅ ｃａｕｓｅｓ ｏｆ ｃｒａｃｋｓ ｉｎ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｂｒｉｄｇｅｓ，ａｎｄ ｐｕｔｓ ｆｏｒｗａｒｄｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓｆｒｏｍｔｈｅｄｅｓｉｎｐｏｉｇｎｔｏｆｖｉｅｗ，ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｐｒｏｖｉｄｅａｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｄｅｓｉｎｅｒｓ．ｇ 【关键词】预应力；桥梁；公路工程；开裂 【Ｋｅｙｗｏｒｄｓ】ｐｒｅｓｔｒｅｓｓ；ｂｒｉｄｇｅ；ｃｒａｃｋｉｎｇ 【中图分类号１Ｕ４４５．７ １ 【文献标志码ＩＢ 【文章编号】１００７．９４６７（２０１８）１１－０１６４．０３ ［ＤＯＩ］１０．１３６１６／ｊ．ｃｎｋｉ．ｇｃｊｓｙｓｊ．２０１８．１ １．０５７ １引言 开裂是混凝土结构常见的现象，也是混凝土结构的病害 之一，预应力混凝土也不能避免。结构出现裂缝，会使其工作 性能降低，影响结构的耐久ｌｈ生，甚至给桥梁结构安全带来隐 现在同一桥梁、同一工作环境，甚至应力相同区域，其裂缝的 产状也不相同＿ｌＪ。 近年来，ＰＣ桥梁的应用越来越多，跨径也越来越大，其影 响也随之增加，这对桥梁结构的安全性和耐久性提出了更高 的要求，因此有必要对ＰＣ桥梁结构开裂现象进行分析，以期 为设计者提供参考。 患。预应力混凝土桥梁开裂的原因相比于普通混凝土更加复 杂。混凝土结构的强度具有离散型，公路桥梁受到的荷载也是 不固定的，桥梁的服役环境与自然环境息息相关，也具有较大 的可变性，这使得预应力混凝土桥梁（以下简称ＰＣ桥梁）开裂 后，其裂缝的数量、开裂部位、裂缝宽度、贯穿率等都具有随机 性，这种随机性不仅表现在不同批次桥梁直接的差异性，更体 【作者简介ｌ张元元（１９８５一），男，湖北枝江人，工程师，从事道路、 桥梁工程设计与研究。 １６４ ２开裂机理分析 对于混凝土开裂机理的研究，虽然已经做了大量的工作， 但是目前尚无统一定论，从裂缝计算的模型来看，主要有４种 理论：黏结．滑移理论（Ｓａｌｉｇａ，１９３６年）；无滑移理论（英国混 凝土学会，１９６６年）；统计法（代表人物：Ｇｅｒｇｅｌｙ和Ｌｕｔｚ）；综合 计算模式（将保护层厚度对裂缝宽度Ｃ的影响和钢筋和混凝 土之间可能出现的滑移综合考虑）。目前，比较可靠的理论是 综合计算模式。 在局部受压区出现与压力方向大致平行的多条短裂缝。 ３．２按裂缝出现的位置分类 根据裂缝产生的位置，裂缝可以分为以下几类。 ３．２．１腹板斜裂缝 裂缝就其发展过程可分为３个阶段，如图１所示，第一阶 段为微观裂缝阶段，第二阶段为扩展阶段，第三阶段为宏观裂 缝阶段嘲。 腹板的斜裂缝根据出现的位置不同，又可以分为出现在 边跨梁端支座腹板处的裂缝以及在中跨ｌ／３～１／４位置处的 腹板裂缝。对于跨中腹板的裂缝，主要的特征为裂缝方向为 斜向，贯穿到顶板或底板时，方向变为平行于板面，其呈对 称分布，如图２所示。 ａ第一阶段 ｂ第 阶段 ｃ第曼阶段 图１裂缝的发展过程 ３裂缝分类 ３．１按受力方式分类 根据结构受力方式，裂缝可以分为以下几类。 ３．１．１中心受拉裂缝 此类裂缝贯穿整个ＰＣ桥梁的横断面出现，其分布均匀， 图２桥梁腹板的斜裂缝 ３．２．２项、底板裂缝 延伸方向与受力方向垂直，对于带肋钢筋，还会在钢筋周围出 现次生裂缝。 ３．１．２受弯裂缝 在ＰＣ桥梁中，还会在桥梁底板、顶板中出现与轴线相平 行的纵向发育的裂缝，此类裂缝出现的原因多为桥梁的畸变 与横向弯曲。 此类裂缝一般先出现在弯矩最大的截面，从受拉侧开始 出现，并逐渐向中性轴延伸，其延伸方向与受拉区方向垂直。 ４裂缝成因分析 混凝土是由水、水泥、砂、石子等材料组成的多相体，在外 荷载、外部环境以及内应力作用下，产生裂缝是无法避免的。 其裂缝宽度，与配筋率有关。配筋多，裂缝窄而多；配筋少，裂 缝少而宽，这２种情况都会发生脆性破坏口］。 ３．１．３受剪裂缝 大量的工程实践表明，混凝土带有轻微的裂缝是完全正常的， 在无特殊要求下结构也是安全的。钢筋混凝土开裂的原因十 分复杂，是多因素共同作用的结果，总的来看，其产生裂缝的 原因是变形约束和受力２个方面，以下就这２个方面进行具 体的讨论。 ＰＣ桥梁在支座剪力作用下，会在支座至三分点范围内出 现４５ｏ方向的斜裂缝。 ３．１．４受扭裂缝 ＰＣ桥梁在扭矩作用下，会在靠近支座附近的一侧的腹板 或者翼缘板先出现数条呈４５。方向斜裂缝，并向相邻的板面 以螺旋的方式延伸。 ３．１．５局部受拉裂缝 ４．１荷载因素 ＰＣ桥梁在横荷载、活荷载产生的裂缝称为荷载裂缝。除 此之外，荷载因素还包括次应力。常规条件下，受弯构件的纵 向受拉钢筋达到屈服强度时，受压区的混凝土达到其抗压强 度，此时为承载力极限状态，这一状态伴随着裂缝的产生、发 育、扩展延伸，直至完全破坏，混凝土带有轻微裂缝是正常现 象，结构满足承载能力的要求。 １６５ ＰＣ桥梁的局部受拉裂缝多发生在预应力锚固头附近，即 锚定板与锚定板周围混凝土在预应力作用下局部受拉，出现 呈４５ｏ方向的斜裂缝。 ３．１．６局部受压裂缝 ｌ ｒ程建设与设计 ｌ ｃ０ｍ ｔ‘口 ＆Ｄｅｓｆ ＦｏｒＰｒｏｊｅｃｔ 由荷载产生的裂缝多出现在受拉、受剪区域以及应力集 中区，但如果在受压区，混凝土表面起皮或者有沿受力方向的 微短裂缝，此时构件达到承载力极限状态，此类情况多为构件 截面过小所致 。 ４．２变形约束 大量的工程实践和研究表明，ＰＣ桥梁中产生的大量裂缝 并非都是荷载所致，多数裂缝则是由于变形导致的，引起混 凝土变形的原因主要有：温度、收缩变形及地基不均匀沉降 变形等。当这些变形受到约束时，就会在结构内部形成附加 内力。附加内力过大引起的裂缝称为变形作用引起的裂 缝。 ４．２．１温度变形 混凝土与多数材料一样，具有热胀冷缩的特性，其在外部 温度或者内部温度（浇筑混凝土）改变时，混凝土将随温度的 变化或胀或缩。当混凝土的这种变形受到制约时，其将在混凝 土内部产生拉应力，当应力达到混凝土的抗拉强度时，混凝土 被拉裂，裂缝出现。温度裂缝最显著的特点是随着温度的改 变，其会继续扩展或闭合。 导致混凝土构件温度改变的原因主要有：年度温差变化、 光照、气温骤降突升，以及施工过程中水化热、养护不当、冬季 施工应对措施不满足要求等。 ４．２．２收缩变形 在混凝土结构中的收缩变形，包括塑性收缩和干缩。这２ 种收缩变形导致混凝土产生体变，由收缩变形产生的裂缝多 为细小、龟裂状的表层裂缝，如图３所示，这类裂缝可通过设 置构造钢筋解决。 图３顶、底板收缩裂缝 ４．２．３地基不均匀变形 由于地质勘察精度、密度不达标，或者地层性质差异明 显、结构受力不均匀、地基冻胀变形、结构基础不一致、桥基设 １６６ 置在不稳定区域，或者其他工程施工等原因，使得桥梁基础产 生不均匀变形，包括不均匀沉降或者水平错位，在结构中产生 附加拉压应力，导致结构产生裂缝。 ５结语 本文以ＰＣ桥梁的开裂问题为研究对象，介绍了裂缝的 开裂计算模型，并介绍了裂缝发展的３个阶段；对裂缝从受力 和出现的位置２个角度分别进行分类，并从荷载和变形约束２ 个方面分析裂缝产生的原因。通过分析发现，对于由荷载产生 的裂缝，可以通过计算手段进行控制，对于由变形受到约束所 致的裂缝，可以通过构造措施进行解决。 【参考文献】 【１】王萍，柯在田公路预应力混凝土桥梁裂缝分析［Ｊ］．公路，２００５（６）： １４—１７． 【２】李国栋．桥梁高性能混凝土早期收缩裂缝形成机理及控制［Ｄ】．哈 尔滨：哈尔滨工业大学，２０１４． 【３】王金祥．基于开裂损伤的大跨径预应力连续梁桥力学性能分析［Ｄ】． 西安：长安大学，２０１２． 【４】龙佩恒，陈惟珍，何雄君．Ｐｃ箱梁桥受力开裂成因的数值分析［Ｊ］． 桥梁建设，２００６（２）：７７＿８０． 【收稿日期］２０１８－０９．１６
