预应力混凝土梁桥的裂缝成因及其对策

1、预应力混凝土梁桥的裂缝成因及其对策预应力梁桥（包括简支梁、连续梁、连续刚构）目前是我国修建最多的桥梁。在这些桥梁的修建过程中和运营过程中，有时会发现梁体不同部位出现龟裂、横向、纵向和斜向裂缝。裂缝一但出现，轻则影响结构的耐久性、重则直接影响结构的承载能力，甚至危及结构的安全，值得予以重视，并应弄清裂缝产生的原因，首先采取措施预防裂缝发生，一旦裂缝发生，则必须采取适当的措施，予以及时的观察监测和处理，以保证桥梁的安全和耐久性能。一、预应力梁桥的裂缝种类及其原因1、预应力简支梁桥的裂缝种类及其原因（1）龟裂预应力简支梁桥在预制时容易产生龟裂，其原因除了由于混凝土配比不合适，个别混凝土浇筑不均匀外，

2、在养护过程中洒水不及时，覆盖不严，采用蒸养时过快的升、降温等均可能产生梁体表面龟裂。（2）纵向裂缝纵向裂缝多发生在运营期间，其原因除了张拉力过大（设计不合理或施工超张拉）夕卜，也与混凝土的质量有关，如有一些铁路运营线上的预应力混凝土简支梁，在运营10多年或20多年后出现沿纵向力筋的裂缝，后通过调查确定为碱骨料反应导致混凝土的承载力下降造成。由于这种裂缝处于主要受力钢束部位，极易引起纵向钢束锈蚀，对结构影响非常大。（3）横向裂缝横向裂缝多发生在运期间，超载、各种原因是预应力损失超过设计预想,都可能导致裂缝的发生。此外，由于徐变上拱的发生和发展，在梁的上翼缘也会产生横向裂缝，特别对活荷载比重较大的

3、铁路桥梁更是如此，而且随徐变的发展，裂缝也会发展，而当桥上荷载较大时，这种裂缝又会暂时闭合。（4）主拉应力方向斜裂缝这种裂缝一般发生在运营期间，且多在跨度四分之一附近区域的腹板上，可以认为基本上是由于主拉应力方向抗裂安全储备不足而造成的。2、预应力连续梁及连续刚构桥的裂缝种类及其原因（1）表面龟裂与预应力简支梁类似，这种裂缝一般是由于连续梁与连续刚构在施工过程中养护不及时或温度变化较大时产生的。由于这类桥在国内大部分是采用悬臂灌注或支架法施工的，高空养护条件比地面更差，极易因养护浇水不及时而造成混凝土表面干缩快，内部干缩慢，使外部混凝土受拉超过混凝土的抗拉强度，产生开裂。此外，由于新浇筑的混凝

4、土暴露在高空大气中，周围环境温度的过快变化，如施工过程中的保温措施不力、水泥结硬过程产生水化热时发生骤然降温等，均有可能产生表面龟裂。（2）在跨度l/4附近出现的斜裂缝这种裂缝一般是由于剪应力过大，主拉应力超过混凝土的抗拉强度而造成的，有时也与构造钢筋的布置有关。当荷载增大时，裂缝会逐渐向受拉区发展。在开裂严重的情况下，缝隙可能沿腹板贯通。（3）梁底沿纵向预应力的贯通裂缝这种裂缝一般是由于预应力或截面尺寸设计不合理，导致压力过大造成的，有时与施工质量也有一定的关系，有的桥梁在施工过程中就发生了底板长距离贯通开裂的现象。（4）支撑处顶板或跨中底板的横向裂缝这种裂缝一般是预应力设计不合理，梁在收缩

5、徐变和钢束松弛的影响下，弯矩最大截面的混凝土受拉区出现超过混凝土抗拉强度的应力，导致开裂。对于边、中跨比较大的连续梁或连续刚构，在边跨端部区域容易引起开裂，早期用顶推法施工的预应力连续梁，由于设计配筋不合理，梁在顶推施工中结构受力与运营状态的结构受力相反时，也容易出现横向裂缝，有的桥在顶推过程中甚至出现贯通截面的裂缝，但这种裂缝在顶推就位后一般在反向受力下即可闭合。（5）梁全截面的破坏性崩裂曾经有一座利用滑移支架法逐段施工的预应力梁，在某阶段张拉只将要结束时，锚下崩裂破坏，同时产生巨大的冲击能，致使箱梁全截面开裂并发生错动。将近10m长的梁体报废。经事后详细的受力分析，找出事故的原因是设计在箱

6、梁底板的布束过密，底板高度较小，锚下局部应力过大导致了混凝土压溃。二、预应力混凝土梁桥的裂缝预防与处置对策1、龟裂的预防和处置对策（1）对于收缩裂缝应注意合理配置适当的构造钢筋，尽可能降低水灰比，并在混凝土浇筑后及时覆盖浇水养护，在干燥环境下更应注意加强养生。（2）对于因温度变化过大造成的裂缝，首先应选择低水化热的水泥，合理配置构造钢筋；其次是对采用蒸汽养生的梁，应严格控制开始的升温和结束时的降温时间，按规定使梁体混凝土缓缓升、降温；在寒冷地区浇筑梁体混凝土时，要采用切实可行的保温、隔热措施等。有时，新旧混凝土接缝处，沿接缝面中部的垂直方向，由于新混凝土结硬的水化热与已经结硬、冷却的旧混凝土之

7、间存在温差;同时由于旧混凝土龄期较长，收缩大部分完成，而新浇混凝土结硬时收缩受阻等原因也会引起混凝土开裂，这种情况应该尽量避免，若必须如此，则应采取增加构造布筋和其他适当的减小温差的措施。由于龟裂一般深入混凝土的深度不大，裂缝宽度一般也较小，除对结构的耐久性和美观可能有影响外，不会对结构当前的受力造成影响，故可用外部涂刷或其他的封闭法处理，以免减小钢筋的保护层厚度，是钢筋容易遭受腐蚀。2、梁底纵向裂缝如前所述，梁底纵向裂缝一般来说是受力裂缝，所以，首先在设计时应合理拟定截面，确定适宜的预应力度，对于较长的跨度及桥面较宽的情况，应尽量设横向预应力，此外，对锚下局部应力应给予足够的重视，对超常规设

8、计必要时应配合做锚下局部应力试验，以免混凝土受力过大。此外，对易发生碱骨料的地区，应重视骨料的选用以及施工用水的化验，避免碱骨料反应发生。对于因截面或预应力设计不合理导致的裂缝，应找出应力的超过幅度，进行分析，若应力超出不多，可用改性环氧混凝土将裂缝浇捣封闭，否则，应采用加固截面或加体外预应力等措施处理。若开裂非常严重，必要时应废掉重做。3、梁顶底面的横向裂缝对于铁路简支梁在运营期间因徐变产生的横向裂缝，一般因权衡活载上桥后的下翼缘的受力和徐变基本结束后的上翼缘在恒载单独作用下的受力情况，以及梁的竖向刚度要求，在可能的情况下减小预应力度。对于一般的连续梁或连续刚构桥，在设计必要时应做徐变试验，

9、或预留张拉孔道,以便日后出现开裂时对梁的受力进行调整，使裂缝闭合。对于在顶推法施工过程中开裂、顶推结束后闭合的裂缝，仍应采用环氧树脂予以封闭，以免在日后的运营过程中因水汽或有害气体进入，腐蚀钢筋和高强钢束，影响结构的安全及耐久性。对于在运营中发现的横向裂缝，一般应采用改性环氧树脂封闭，或在梁顶、底面用碳纤维布粘贴加固的方法处理。4、主拉应力方向的斜裂缝在近年来，一些运营中的预应力连续梁或连续刚构出现了主拉应力方向的斜裂缝，应该引起注意。一般来说，由于连续的混凝土结构存在次内力的再分配问题，施工过程中的影响因素又非常之多，在裂缝出现后要准确找出原因很困难，所以，在设计时首先应该合理地确定中、边跨

10、比，注重跨度1/4的剪应力和主拉应力检算，适当增加箍筋配置，对连续结构的竖向预应力筋的永存预应力的核算，应充分考虑施工控制精度和工艺水平以及各项预应力损失，做到客观合理。5、梁全截面的破坏性崩裂如前所述，梁全截面的破坏性崩裂是一种灾难性事故，在造成工程结构和设备损失的同时，有时还会造成人员的伤亡，应全力避免。除在设计时详细核算截面的整体受力外，还应对锚下局部应力的检算予以重视，此外，施工中要从机具的校验和操作工艺上严格把关，保证不超张拉。三、结语l、按照以往桥梁规范规定，预应力梁体混凝土的纵向裂缝宽度不应超过0.2mm，在梁体的竖向裂缝则不允许出现。新修订的公路桥梁设计规范则对于一般环境下的预

11、应力梁体，规定其裂缝限值为0.1mm。而实际梁体一旦开裂，多数情况下裂缝宽度往往就已超过这些限值。所以，即使目前的裂缝对结果受力不会造成影响，单从保证结构耐久性来讲，也必须对其进行处理。特别是对处于潮湿多雨和空气中有害气体含量较高地区的桥梁，以及冬季必须在桥上撤除冰盐消冰的地区的桥梁，更是如此。对于因桥上超载引起的裂缝，一般应详细分析超载的情况，并根据未来荷载的发展可能，综合考虑经济、社会影响等因素，决定是加固或对裂缝进行一般的处理，或者废弃重修新结构。2、如上所述，预应力桥梁的开裂是一个复杂的问题，牵涉设计、施工、气候、运营期的荷载及其运营养护等方面，所以，要从根本上减少以至基本消除梁体开裂

12、现象，需要各个方面的共同努力和配合，缺一不可。3、近年来，有些设计和咨询部门在对结构设计进行优化时，往往仅从理论出发，对一些结构截面尺寸和布筋进行了不适当的消减，而没有综合考虑施工误差和工艺水平以及运营和养护的实际情况，导致结构的实际安全度和耐久性降低，在一些其他因素的综合影响下，极有可能导致混凝土开裂甚或造成事故，结果有的桥梁出事后的处理费用非常之大，而且耽误了工期，有的则对结构的耐久性造成了隐患，这种情况应该引起重视。由于和国外发达国家相比，我国的工程结构安全度相对较低，所以，一般不应过分强调优化设计节省工程量，而应从结构的安全及耐久性方面多予以考虑。4、凝土结构质量同所用骨料、砂的质量及

13、水泥品种有直接关系。因此，严把原材料关，是保证混凝土质量的关键环节。此外，近年来在一些地区发生了较为严重的碱骨料反应现象，其中有的是运营10多年或更长时段的梁，只是梁的承载力大幅度下降，从而不得不换梁，这种现象必须引起重视，其对策是检验骨料，并剔除容易发生化学反映的部分；限制水泥中的碱分；添加火山灰类物质的活性碱（如粉煤灰或硅灰）；细骨料的级配应尽量偏于粒径粗大方面。碱骨料反应碱骨料反应是指混凝土中的碱性物质与骨料中的活性成分发生化学反应,引起混凝土内部自膨胀应力而开裂的现象.碱骨料反应给混凝土工程带来的危害是相当严重的.因碱骨料反应时间较为缓慢,短则几年,长则几十年才能被发现.发生碱骨料反应

14、需要具有三个条件:首先是混凝土的原材料水泥、混合材、外加剂和水中含碱量高；第二是骨料中有相当数量的活性成分；第三是潮湿环境，有充分的水分或湿空气供应。碱骨料反应的预防方法:碱骨料反应条件是在混凝土配制时形成的，即配制的混凝土中只有足够的碱和反应性骨料，在混凝土浇筑后就会逐渐反应，在反应产物的数量吸水膨胀和内应力足以使混凝土开裂的时候，工程便开始出现裂缝。这种裂缝和对工程的损害随着碱骨料反应的发展而发展，严重时会使工程崩溃。有人试图用阻挡水分来源的方法控制碱骨料反应的发展，例如笔者见过的日本从大孤到神户的高速公路松原段陆地立交桥，桥墩和梁发生大面积碱骨料反应开裂，日本曾采取将所有裂缝注入环氧树脂

15、，注射后又将整个梁、桥墩表面全用环氧树脂涂层封闭，企图通过阻止水分和湿空气进入的方法控制碱骨料反应的进展，结果仅仅经过一年，又多处开裂。因此世界各国都是在配制混凝土时采取措施，使混凝土工程不具备碱骨料反应的条件。主要有以下几种措施。1、控制水泥含碱量自1941年美国提出水泥含量低于0.6%氧气化钠当量（即Na2O+0.658K2O）为预防发生碱骨料反应的安全界限以来，虽然对有些地区的骨料在水泥含量低于0.4%时仍可发生碱骨料反应对工程的损害，但在一般情况下，水泥含量低于0.6%作为预防碱骨料反应的安全界限已为世界多数国家所接受，已有二十多个国家将此安全界限列入国家标准或规范。许多国家如新西兰、

16、英国、日本等国内大部分水泥厂均生产含碱量低于0.6%的水泥。加拿大铁路局则规定，不讼是否使用活性骨料，铁路工程混凝土一律使用含碱量低于0.6%的低碱水泥。2、控制混凝土中含碱量由于混凝土中碱的来源不仅是从水泥，而且从混合材、外加剂、水，甚至有时从骨料（例如海砂）中来，因此控制混凝土各种原材料总碱量比单纯控制水泥含碱量更重要。对此，南非曾规定每m3混凝土中总碱量不得超过2.1kg，英国提出以每m3混凝土全部原材料总碱量（Na2O当量）不超过3kg，已为许多国家所接受3、对骨料选择使用如果混凝土含碱量低于3kg/m3,可以不做骨料活性检验，如果水泥含碱量高或混凝土总碱量高于3kg/m3，则应对骨料

17、进行活性检测，如经检测为活性骨料，则不能使用，或经与非活性骨料按一定比例混合后，经试验对工程无损害时，方可按试验规定的比例混合使用。4、掺混合材掺某些活性混合材可缓解、抑制混凝土的碱骨料反应。根据各国试验资料，掺S10%的硅灰可以有效的抑制碱骨料反应，据悉冰岛自1979年以来，一直在生产水泥时掺57.5%硅灰，以预防碱骨料反应对工程的损害。另外掺粉煤灰也很有效，粉煤灰的含碱量不同，经试验，即使含碱量高的粉煤灰，如果取代30%的水泥，也可有效地掏碱骨料反应。另外常用的抑制性混合材还有高炉矿渣，但掺量必须大于50%才能有效地抑制碱骨料反应对工程的损害，现大美、英、德诸国对高炉矿渣的推荐掺量均为50

18、%以上。5、隔绝水和湿空气的来源如果在担心混凝土工程发生碱骨料反应的部位能有效地隔绝水和空气的来源，也可以取得缓和碱骨料反应对工程损害的效果。1裂缝形成原因1.1 荷载引起的裂缝(1) 设计阶段，由于考虑不充分，计算简化模式与实际受力状态不相符；结构安全系数采用不当；结构刚度不够或钢筋设置有误。(2) 施工阶段，没有按照设计图纸施工，随意变更结构施工顺序；未对桥梁结构做施工时的强度验算(3) 使用阶段，超设计荷载的重型车辆通过，外力及自然灾害的影响1.2 温度变化引起的裂缝混凝土亦具有热胀冷缩的特性，内外界发生温度变化时混凝土会变形，当外界约束产生的应力超过混凝土的抗拉强度时即会产生裂缝。(1

19、) 由于四季温度的变化使桥梁在纵桥向产生位移，当位移受限时即会产生裂缝。(2) 当外界条件发生急剧变化时，结构物表面温度发生快速改变,而内部变化较慢，由于内外温差较大而产生裂缝。(3) 冬季施工时温度变化,内外温度变化不均引起结构产生裂缝。1.3 基础变形引起的裂缝(1) 地基冻胀。由于基础位于冻胀土层内，冬季含水率较高的土冰冻膨胀，温度升高时冻土融化，地基出现沉降。北方地区此类情况比较严重。(2) 地质资料不准确或天然扩大基础作用在差异很大的土层内，由于地基土不均匀沉降而产生裂缝。(3) 道路二期工程扩建时，在原桥梁较近处重新修建新桥,新建桥梁基础处理时引起地基土重新固结而使原有桥梁基础产生

20、较大沉降使结构产生裂缝。(4) 地质勘查及试验资料不准确，在这种情况下进行的设计、施工已不符合真实的地质状况，从而引起基础不均匀沉降使结构产生缝1.4 钢筋锈蚀引起的裂缝由于混凝土质量不好或混凝土保护层过薄，二氧化碳的作用使钢筋周围的混凝土碱性降低引起钢筋表面的氧化保护膜被破坏，氧气、水、钢筋中铁离子发生锈蚀反应,使混凝土保护层开裂、剥落,沿钢筋纵向产生裂缝。因为钢筋锈蚀使钢筋有效面积减少，钢筋与混凝土的握裹力减弱，使结构承载力下降，将引起更多裂缝，钢筋锈蚀加聚，从而导致结构破坏。1.5 冻胀引起的裂缝吸水达到饱和状态的混凝土，当外界大气温度很低低于0C时，混凝土内呈游离状态的水冻结为冰，由于

21、水变为冰时体积会膨胀，混凝土会产生应力使混凝土的强度降低，而出现裂缝。特别是当混凝土中含杂质过多，空隙较大时更容易产生裂缝。1.6 施工质量引起的裂缝钢筋混凝土结构在浇注、运输过程中，由于未严格按照操作规程，造成施工质量低劣会产生各种型式的裂缝。(1) 混凝土搅拌及运输时间长，混凝土中水分蒸发过多，使混凝土塌落度降低，使混凝土表面出现裂缝。(2) 混凝土分段浇注时，由于混凝土相接部位没有处理好，新旧混凝土之间或施工缝处就会产生裂缝(3) 由于新技术的不断开发应用,混凝土施工时更多的采用泵送混凝土，此时为保证混凝土的运送，水及水泥的用量增加了，从而引起混凝土凝固时的收缩量增大而产生裂缝。1.7 使用不当引起的裂缝在使用上最主要的是由汽车超载造成的,汽车超载主要有以下几种情况：(1)早期建设的桥梁已超过了设计年限或原来的设计荷载较低,随着设计荷载和交通量的不断增加相对于原设计的超栽。(2)车辆违规超载,即车辆使用者违法超载运营。超载可使桥梁疲劳幅度加大，造成桥梁内部损伤，改