预应力混凝土T梁裂缝成因分析与处理

预应力混凝土T梁裂缝成因分析与处理

作者：杨振华

来源：《装饰装修天地》2016年第01期

摘要：分析了预应力混凝土T型梁裂缝产生的原因、机理和危害，提出了裂缝的处理方法。

关键词：预应力混凝土；T梁；裂缝成因

预应力混凝土T梁桥是我国应用数量最广泛的一种桥型，在我国铁路大建设中起到了极其重要的作用。随着国民经济和交通运输的迅速发展，我国铁路上有数量众多的预应力混凝土T梁桥。虽然该种T梁具有优良的使用性能以及耐久性，但近年来却不断发现腹板存在裂缝。本文结合石长铁路沅水特大桥为实例，对引桥T梁腹板出现的纵向裂缝、斜向裂缝、直向裂缝及应对措施进行探讨。 一、工程概况

石长铁路沅水特大桥中心里程为石长铁路K92+566，位于石长线常德东站与德山站之间，主跨为2～62m+5～96m预应力混凝土箱梁，引桥为32m预应力钢筋混凝土T梁，共计93孔（北引桥64孔，南引桥29孔），桥梁设计荷载为“中—活载”。引桥桥墩为矩形截面混凝土板式墩，桩基础。桥长3682.93m，桥上线路为曲线。桥梁于1994年开工，1996年竣工。运营十来年中，多孔32m预应力钢筋混凝土T梁混凝土表面出现龟裂状裂缝及直线裂缝，沿预应力管道方向出现纵向裂缝，梁端出现斜竖向裂缝。笔者从结构设计、施工方面分析探讨裂缝产生的原因，并提出修补方案。 二、裂缝类型

经现场查勘，发现石长铁路沅水特大桥主要裂缝类型有以下三大类： 1）混凝土表面成龟裂状裂缝及直线裂缝；2）沿预应力管道方向的裂缝；3）梁端斜竖向裂缝。 三、裂缝成因分析

混凝土构件产生裂缝的原因很多，涉及构造设计、原材料质量、混凝土自身固有特性、施工和使用环境及管理等各个方面，裂缝的产生往往是以上原因的综合。笔者对石长铁路沅水特大桥的T梁腹板出现的裂缝现象，进行了分析和会诊。影响因素及原因概括如下。 1.混凝土表面成龟裂状裂缝及直线裂缝

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由于收缩所引起的混凝土裂缝是最为常见的。有些有规则的直线裂缝属于温度裂缝，例如该桥上翼缘板上的斜裂缝。混凝士受水泥水化放热、阳光照射、夜间降温等因素影响而出现冷热变化时，将发生收缩和膨胀，产生温度应力，温度应力超过混凝土抗拉强度时，即产生裂缝。可以初步推断是由于水化热过大引起的温度裂缝。由于水化热作用，使混凝土内部与外表面温差过大，这时内部混凝土受压应力，表面混凝土受拉应力。由于混凝土抗压强度远大于抗拉强度，表面拉应力可能先达到并超过混凝土抗拉强度，而产生间距大致相等的直线裂缝（ 称温差裂缝） ，该桥的上翼缘板上的斜裂缝形态正是如此。 2.沿预应力管道方向的裂缝

2.1 预应力管道压浆后受冻膨胀。预应力管道压浆时或压浆后如梁体保温措施采取不力，当环境温度低于 0 ℃时，极易造成管道内的压浆液受冻膨胀，使梁体混凝土在与管道垂直方向的薄弱断面上产生较大的拉应力，该拉应力与纵向预压应力因泊松效应产生的拉应力产生叠加圈，当此拉应力达到了混凝土材料的极限抗拉强度时，该区域混凝土纤维发生断裂，造成管道内壁出现初始裂缝。当拉断的纤维退出工作后，紧靠断裂区的混凝土拉应力激增，从而导致新的混凝土纤维出现断裂，裂缝逐步由管道内壁向混凝土表面扩展，直至最后到达梁体表面。 经现场查阅沅水特大桥的张拉时间和压浆日期。该桥建设期均属于南方的春天，天气比较好，气温比较高，故可排除是预应力管道压浆后受冻膨胀影起的裂缝。

2.2 混凝土强度。沅水特大桥施工工艺采用后张法。如果预应力张拉时，混凝土强度低，产生纵向开裂。沅水特大桥混凝土设计强度为500号混凝土，强度等级相当于C48。经现场对该桥的混凝土强度进行检验，得出混凝土强度都满足设计要求，故可排除是因混凝土强度低产生的裂缝。

2.3 预应力及管道。首先对T梁沿预应力管道方向的纵向裂缝受力分析。通过调查发现这种梁的裂缝往往出现在预应力筋张拉后，也就是说预应力使梁产生的裂缝，有裂缝存在那么一定有一个与裂缝方向垂直的力存在，而这种梁一般为曲线型预应力管道，弯曲部分的管道内壁上缘将对预应力束产生径向压力P，截取管道曲线部分的微分段，设曲率半径为常数r，P和τ分别为单位长度预应力束所受的法向压应力和摩擦力，N为预拉力，μ为钢筋与管道壁的摩擦系数，τ=pμ。将各力投影到x和y轴上，有平衡方程式（1）～（2） （1） （2）

由于当[dθ]→0时，，略去高阶微量，所以由式（1）～（2），得式（3）～（4）； （3）

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（4）

由式（4）可知：管道内壁对预应力束产生径向压力为p，那么预应力束对管道内壁产生的压力为-p，预应力束对管道内壁产生的压力与该处预应力筋的预拉力N成正比，与预应力筋的曲率半径r成反比。当由径向压力-p产生的对混凝土的压应力大于混凝土的标准抗拉强度时，混凝土产生裂缝。裂缝多沿肋上部的预应力束产生，这正是由于该预应力束的曲率半径r较小，而各束的N是相同的，所以p相对较大。

按式（4）对前面提到的新桥T梁底板侧边中部预应力束进行计算（该束的曲率半径r最小），见式（5）～（6）。在这里，忽略管道摩阻力对张拉力N的影响，设混凝土所受的径向压应力为p，因为每束预应力束由5根钢绞线组成，所以近似的取2根钢绞线的直径和作为钢绞线束与管道的接触宽度L，依据设计图纸取沅水特大桥钢绞线束的曲率半径r=12m，钢绞线的张拉控制应力取为1395MPa，C50混凝土的轴心抗拉极限强度=3.10MPa。

由式（7）可知，混凝土所受拉应力为混凝土的极限轴心抗拉强度的86%，也就是说如果管道的曲率半径减小14% 或预应力超张拉超过14%，使预应力管道处混凝土所受的拉应力超过混凝土的标准抗拉强度，那么都将产生沿肋部顶端预应力管道方向的裂缝，有时沿其他管道也可能有裂缝产生，而且这种裂缝是难以闭合的。

因此，预应力管道位置的偏差和预应力的张拉力过大是引起这种裂缝的主要原因。水泥浆配合比中，过多的水泥用量导致混凝土水化热较高，热量过多地囤积在预应力孔道内得不到释放，导致梁底或腹板与下翼缘交界处沿预应力孔道方向开裂。 四、裂缝处理

裂缝是大型钢筋混凝土构件的质量通病。在修复方案的选择上，应综合考虑，以免因前期方案选择不当，而给结构安全或后期维修处理带来不利影响。根据裂缝类型，建议处理方法如下。

1.混凝土表面成龟裂状裂缝及直线裂缝

此类裂缝不影响结构使用安全、使用功能，但影响结构的耐久性。对于混凝土表面成龟裂状裂缝及直线裂缝，稍窄的裂缝采用了涂刷树脂封闭胶的方法进行封缝处理；稍宽（0.1～0.15 mm）的裂缝则采取了较为保守的方案，以环氧树脂浆为主要灌缝胶材料对裂缝进行灌浆处理。裂缝处理完毕并经适当养护后，用超声波检测，结果与同条件下无裂缝混凝土无明显差别。在T梁处理后，应长期监测裂缝变化情况，保证结构质量安全可靠。 2.沿预应力管道方向的裂缝

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此类裂缝明显影响了梁的承载能力，随着裂缝的扩展和延伸，钢筋达到屈服强度，受压区混凝土应变量增大，梁刚度大大降低，构件趋向破坏。此类裂缝必须及早采取加固补强，以满足结构安全需要。对于此类裂缝的处理，首先对其进行环氧树脂压浆处理，后建议采用黏贴加固法。 参考文献：

[1]宋平原，杨国训.谈预应力混凝土T型梁裂缝成因及预防措施[J].山西建筑，2014，25. [2]刘思维.预应力混凝土盖梁端部裂缝成因分析[J].城市道桥与防洪，2014，06.