大跨径预应力混凝土桥梁裂缝分析与控制(海口)

大跨径预应力混凝土箱梁桥裂缝分析与控制王宗林哈尔滨工业大学桥梁预应力及索力张拉施工控制与智能测控技术大跨径预应力混凝土箱梁桥裂缝分析与控制桥梁预应力及索力张拉施工控制与智能测控技术2/501、我国大跨混凝土桥梁现状及问题2、预应力混凝土连续箱梁的裂缝特征3、箱梁裂缝原因分析4、裂缝控制与防治措施5、裂缝控制实例内容大跨径预应力混凝土箱梁桥裂缝分析与控制桥梁预应力及索力张拉施工控制与智能测控技术3/50一、我国大跨PC桥梁发展现状及存在的问题从上世纪70年代开始，我国公路上开始修建大跨度预应力混凝土箱梁桥，进入1980年代后，预应力连续箱梁桥和预应力箱梁连续刚构桥得到了迅猛发展，现已成为我国大跨度桥梁的主要桥型之一。我国高等级公路上已修建了大量大跨度预应力箱形截面桥梁，主跨径达100m以上的桥梁数以百计，200m以上的也已超过了30座。在世界范围内，我国的预应力混凝土箱梁桥的建设已跨入了先进行列。大跨径预应力混凝土箱梁桥裂缝分析与控制桥梁预应力及索力张拉施工控制与智能测控技术4/50六库怒江桥位于云南省怒江僳僳族自治州州府六库，跨怒江，是当时国内跨度最大的预应力混凝土连续箱梁。采用3跨变截面箱梁，分跨为85+154+85(m)，单箱单室截面，箱宽5.0m。支点处梁高8.5m，跨中梁高2.8m。于1991年3月竣工。大跨径预应力混凝土箱梁桥裂缝分析与控制桥梁预应力及索力张拉施工控制与智能测控技术5/50南京长江二桥北汊桥主跨为预应力混凝土连续箱梁桥，跨径布置为90+3×165+90米，该跨径在亚洲最大。设计荷载：汽-超20，挂-20，桥宽32米。盆式橡胶支座吨位6500t。于1997年10月6日开工，2001年3月26日建成通车。大跨径预应力混凝土箱梁桥裂缝分析与控制桥梁预应力及索力张拉施工控制与智能测控技术6/50洛溪桥位于广东省广州市南郊，跨珠江，是我国建造的第一座预应力混凝土连续-刚构桥。主桥65+125+180+110m，长480m，宽15.5m。单箱单室，跨中梁高3m，墩顶梁高10.0m。悬臂浇筑施工。主孔桥墩采用双壁式薄壁空心墩。于1988年8月建成通车。大跨径预应力混凝土箱梁桥裂缝分析与控制桥梁预应力及索力张拉施工控制与智能测控技术7/50黄石长江大桥位于湖北省黄石市，主桥长1060m，5跨预应力混凝土连续-刚构桥，分跨为162.5+3245+162.5(m)，桥宽20m。跨中梁高4.1m，墩顶梁高11.0m，1996年建成。大跨径预应力混凝土箱梁桥裂缝分析与控制桥梁预应力及索力张拉施工控制与智能测控技术8/501997年建成通车、代表我国预应力混凝土连续刚构桥设计施工水平的虎门大桥辅航道桥，主跨270m，曾一度是此类桥型世界第一大跨度桥梁（保持纪录1年）。大跨径预应力混凝土箱梁桥裂缝分析与控制桥梁预应力及索力张拉施工控制与智能测控技术9/50重庆石板坡长江大桥复线桥为刚构－连续梁组合体系。正桥桥跨布置为87.75+4×138+330+133.75m。主跨330米刚构采用钢－预应力砼组合体系。2005年底建成通车，超过现有最大跨301m而成为世界最大的梁式桥梁。大跨径预应力混凝土箱梁桥裂缝分析与控制桥梁预应力及索力张拉施工控制与智能测控技术10/50世界PC连续刚构发展的制高点•澳大利亚1985年门道（Gateway）桥，跨径145+260+145m，保持PC连续刚构跨度世界纪录达12年。•中国1997年虎门大桥辅航道桥（主跨270m），打破该项纪录。•挪威1998年建成世界第一的Storlms斯托尔马桥（主跨301m）和世界第二的RaftSunder拉夫特桥（主跨298m），将该桥跨度发展到顶点。•2005年我国重庆石板坡长江大桥（主跨330m），居世界领先水平。大跨径预应力混凝土箱梁桥裂缝分析与控制桥梁预应力及索力张拉施工控制与智能测控技术11/50然而，在过去的30多年中，特别是1990年代，由于设计、施工和运营管理等方面存在不足和缺陷，预应力连续梁、连续刚构桥箱梁的腹板、顶板、底板、横隔板以及锚固齿板等部位普遍出现了不同形式的裂缝以及跨中挠度过大的现象。有些裂缝在施工期间就已经出现，有些经过一段时间运营后开始出现。这些裂缝对结构的安全性、耐久性和正常使用产生了十分不利的影响。大跨径预应力混凝土箱梁桥裂缝分析与控制桥梁预应力及索力张拉施工控制与智能测控技术12/50腹板顺管道裂缝大跨径预应力混凝土箱梁桥裂缝分析与控制桥梁预应力及索力张拉施工控制与智能测控技术13/50腹板顺管道裂缝大跨径预应力混凝土箱梁桥裂缝分析与控制桥梁预应力及索力张拉施工控制与智能测控技术14/50腹板斜裂缝大跨径预应力混凝土箱梁桥裂缝分析与控制桥梁预应力及索力张拉施工控制与智能测控技术15/50顶板纵向裂缝大跨径预应力混凝土箱梁桥裂缝分析与控制桥梁预应力及索力张拉施工控制与智能测控技术16/50墩顶横隔梁裂缝大跨径预应力混凝土箱梁桥裂缝分析与控制桥梁预应力及索力张拉施工控制与智能测控技术17/50跨中横隔梁裂缝大跨径预应力混凝土箱梁桥裂缝分析与控制桥梁预应力及索力张拉施工控制与智能测控技术18/50当结构出现裂缝后，一方面降低了结构的整体刚度，使结构变形过大、下挠；另一方面将对混凝土结构的耐久性带来严重影响。混凝土开裂后，氯离子、水分、氧气等侵蚀性化学物质将侵入混凝土内部，导致钢筋或预应力筋的腐蚀。钢筋锈蚀一方面减弱了钢筋与混凝土之间的粘结力，使桥梁的刚度、强度降低；另一方面，由于锈蚀膨胀，导致裂缝进一步发展，提供了使侵蚀破坏作用逐步升级、混凝土耐久性不断下降的渠道，形成混凝土结构耐久性进一步退化的恶性循环，就有可能导致结构耐久性的最终破坏，降低了桥梁的使用寿命，并对桥梁的安全性造成极大的威胁。大跨径预应力混凝土箱梁桥裂缝分析与控制桥梁预应力及索力张拉施工控制与智能测控技术19/50二、预应力混凝土连续箱梁的裂缝特征交通部科学研究院对全国公路系统主跨大于90m的200多座预应力混凝土箱梁桥的裂缝进行了调查与统计分析。调查涵盖了1980年代以来所建桥梁，桥梁跨径从80m到270m，发现箱梁几乎全都存在开裂现象。箱梁裂缝绝大多数总是集中分布在顶板、底板、腹板和横隔板的某些部位。调查发现共7类具有普遍性的裂缝，分别是：（1）腹板斜向、竖向、水平向裂缝；（2）顶板纵向、斜向和横向裂缝；（3）底板纵向、斜向和横向裂缝；（4）横隔板竖向、横向、斜向和过人孔周围辐射状裂缝；（5）锚下劈裂裂缝；（6）沿纵向预应力束孔道的裂缝；（7）齿板局部区域裂缝。大跨径预应力混凝土箱梁桥裂缝分析与控制桥梁预应力及索力张拉施工控制与智能测控技术20/50裂缝裂缝形态常见位置基本特征底板横向裂缝跨中附近底板及腹板横向裂缝往往延伸至腹板；出现时间为通车后。属于受弯裂缝。顶板横向裂缝桥墩部位顶板及腹板横向裂缝往往延伸至腹板；出现时间为通车后。属于受弯裂缝。腹板斜裂缝L/4跨及梁端附近腹板（1）通常腹板裂缝数量内侧多于外侧，裂缝宽度两端小、中间大。（2）裂缝与钢束方向大致垂直，与水平向角度30~60度，属受力裂缝。（3）设置下弯束的腹板，同样存在斜裂缝，但数量比不下弯的少。大跨径预应力混凝土箱梁桥裂缝分析与控制桥梁预应力及索力张拉施工控制与智能测控技术21/50裂缝裂缝形态常见位置基本特征顶、底板纵向裂缝全桥范围内的底板、顶板，一般位于板的中部、承托附近（1）顶板纵向裂缝通常沿桥全长分布，横向预应力对裂缝位置影响很小。裂缝宽度较小，多在施工或运营阶段出现。（2）底板纵向裂缝只在底板宽厚比一定范围内的局部梁段出现。底板纵向裂缝数量少，常见的是1~2条，缝宽较大，延续长度一般2~3个梁段。沿预应力管道裂缝任何预应力管道，尤其腹板管道弯曲段尤为严重（1）主要分布在箱梁腹板及底板、顶板，主要受钢束在板厚方向的布置和施工偏差影响。（2）多为通透性开裂，多数断续延伸，直至锚固位置附近。一般在施工阶段出现。大跨径预应力混凝土箱梁桥裂缝分析与控制桥梁预应力及索力张拉施工控制与智能测控技术22/50裂缝裂缝形态常见位置基本特征横隔板裂缝墩顶及跨中横隔梁过人洞周边（1）要分布在过人孔周边，裂缝形状为竖向、水平向、斜向，尤以竖向裂缝最严重。（2）横隔板100%开裂，裂缝数量多，宽度较大。（3）裂缝在成形拆模后即出现。齿板局部区域裂缝齿板与顶板、底板、腹板交界处，齿板侧面及前端纵向裂缝（1）对尺寸偏小的齿板，齿板与顶（底）板及腹板交界处是齿板局部区域裂缝产生的常见位置。（2）锚下劈裂裂缝绝大多数出现在齿板上。（3）锚下劈裂裂缝均呈辐射状，裂缝宽度、长度都较小，预应力钢束张拉结束后即可发现。大跨径预应力混凝土箱梁桥裂缝分析与控制桥梁预应力及索力张拉施工控制与智能测控技术23/50箱梁开裂调查总结：（1）预应力混凝土箱梁桥的开裂具有明显普遍性。从总趋势来看，大跨度预应力混凝土箱梁桥100%出现开裂现象，具有明显的普遍性。1990年代修建的桥梁开裂最为严重；连续梁桥和连续刚构桥的开裂没有本质的区别。（2）统计结果表明，腹板斜裂缝（包括顺管道裂缝）、水平裂缝、顶板及底板纵向裂缝、横隔梁裂缝是最主要的开裂形式。其中腹板斜裂缝对结构安全的影响程度最大。（3）预应力混凝土箱梁开裂成因机理复杂，多数情况下几种裂缝同时出现，相互影响。当裂缝出现后，梁体刚度降低，主跨下挠变形增加（塌腰现象），给结构的安全性和耐久性造成不利影响。大跨径预应力混凝土箱梁桥裂缝分析与控制桥梁预应力及索力张拉施工控制与智能测控技术24/50预应力混凝土连续箱梁桥存在的大面积的开裂现象，一方面，使得工程界对预应力混凝土箱梁桥的应用产生了怀疑，一定程度上影响了预应力混凝土箱梁桥在公路建设中的进一步推广和应用。另一方面，说明了在大跨径预应力混凝土连续桥梁的设计、施工方面，存在着缺陷和不足环节。因此，必须在总结以前经验教训的基础上，针对存在的问题，找出裂缝产生的原因，提出改进措施，做到精心设计、精心施工，使新建桥梁不再出现或尽量避免类似的病害。大跨径预应力混凝土箱梁桥裂缝分析与控制桥梁预应力及索力张拉施工控制与智能测控技术25/50三、箱梁裂缝原因分析1、常见裂缝的分类引起裂缝的原因很多，可归纳为两大类：（1）由结构自重、车辆等荷载引起的裂缝，称为结构性裂缝，其裂缝的分布及宽度与外荷载有关。这种裂缝的出现，预示结构承载力可能不足或存在其他严重问题。如腹板斜裂缝、顶底板受弯裂缝、锚下局压裂缝等。（2）由变形引起的裂缝，称为非结构性裂缝，如温度变化、混凝土收缩等因素引起的结构变形受到限制时，在结构内部就会产生拉应力，当拉应力达到混凝土抗拉强度极限值时，就会引起混凝土裂缝。如沿预应力管道裂缝、顶板及底板纵向裂缝、横隔梁裂缝、角隅裂缝等。大跨径预应力混凝土箱梁桥裂缝分析与控制桥梁预应力及索力张拉施工控制与智能测控技术26/50两类裂缝有明显的区别，危害效果也不相同。调查资料表明，在两类裂缝中以变形引起的裂缝占主导的约占80%，以荷载引起的裂缝占主导的约占20%，有时两类裂缝融在一起。对裂缝原因的分析是裂缝危害性评定、裂缝修补和加固的依据，若对裂缝不经分析研究就盲目进行处理，不仅达不到预期的效果，还可能潜藏着突发性事故的危险。结构性裂缝与结构受力有关，一般由设计错误和施工不当造成。非结构性裂缝的产生受混凝土材料组成、施工方法、养护条件和环境等多种因素影响。大跨径预应力混凝土箱梁桥裂缝分析与控制桥梁预应力及索力张拉施工控制与智能测控技术27/502、裂缝产生的原因分析（1）混凝土配合比不当引起的裂缝目前在修建的大跨径预应力混凝土桥梁中，常采用C50以上级别的高标号混凝土。但通过这些大型桥梁的建设、使用，发现目前使用的高标号混凝土存在如下问题：1）混凝土中水泥用量偏大。由于受到工期的制约，高标号混凝土大多采用较大用量的水泥。如目前常用的C50混凝土，水泥用量大多在450~500kg/m3。2）混凝土材料的控制指标较为单一。不少施工单位在配合比设计时，往往把强度作为唯一的控制指标，按以往经验进行一组配合比设计，试配后强度达到要求就算完成了；若达不到