大桥箱梁裂缝成因分析

0 引言

混凝土是不均匀的脆性材料，断裂过程非常复杂，主要是由于其内部往往存在缺陷和孔隙。材料结构的损伤和与破坏过程一般起始于应力集中部位，当应力与变形超过一定值时，这些原有裂纹及缺陷会扩展，贯通形成损伤带，最终导致构件断裂。

在将断裂力学理论应用于混凝土的研究中，断裂能及构件尺寸效应一直是研究的热点之一。本文将依据水口寺大桥2014年定期检测内容，运用断裂力学理论分析该桥裂缝产生的机理。

1. 工程概况

水口寺大桥按左右幅设计，左幅桥梁全长288.326 m，上部结构为3×（3×30.00）m预应力混凝土连续箱梁；右幅桥梁全长199.092 m，上部结构为2×（3×30.00）m预应力混凝土连续箱梁，支点和跨中梁高均为1.60m。下部结构：桥墩采用双柱式桥墩、桩基础，桥台采用重力式U型桥台、扩大基础。全桥桥面铺装采用沥青混凝土铺装层，单幅桥面宽度：0.50 m（护栏）+15.75 m（车行道）+0.50 m（护栏）。支座采用盆式橡胶支座，伸缩缝选用模数式伸缩缝，护栏采用墙式护栏。

2. 检测结果

2.1 左幅桥预制箱梁裂缝检查结果汇总

预制箱梁底板主梁底板存在1条纵向裂缝，L=2.00 m，δ=0.14 mm；腹板存在26条竖向裂缝，L=0.50～2.00 m，δ=0.08～0.12 mm，长度共计23.10 m；翼板存在53条横向裂缝，L=1.20～2.50 m，δ=0.08～0.16 mm，长度共计101.00 m。

2.2右幅桥预制箱梁裂缝检查结果汇总

预制箱梁底板存在2条横向裂缝，L=0.7～2m，δ=0.08～0.14mm，长度共计2.70 m；腹板存在27条竖向裂缝，L=0.70～1.10m，δ=0.10～0.12mm，长度为28.27m；翼板存在41条横向裂缝，L=0.80～2.40m，δ=0.08～0.12mm，长度为57.40m。

3. 箱梁裂缝成因分析

3.1 箱梁腹板竖向裂缝 1） 病害情况说明

箱梁腹板存在53条竖向裂缝，纵向位于0～1/4L、3/4L～1L范围内，大部缝横向出现在外弧侧，最大缝宽0.12mm，最大缝长2.00m，且大部缝均延伸至底板。出现此类病害的箱梁跨数占全桥箱梁跨数的73.33%。

2） 原因分析

从历史检测情况可知，部分箱梁腹板竖向裂缝在2011年就已存在，较之2011年检测结果，箱梁腹板竖向裂缝在持续增加。根据裂缝的分布特征，分析认为此类病害产生的主要原因包括以下三个方面：

（1）由于箱梁较矮，且未设置竖向预应力筋，导致0～1/4L、3/4 L～1L范围内主拉应力较大，底板裂缝是由于主拉应力发生转移所导致，再加上由于桥梁处于弯道上，所以外弧侧裂缝明显较内弧侧多；

（2）钢筋保护层厚度稍显不足；

（3）整体温度变化会改变箱梁曲率，使腹板沿桥纵向受拉，导致腹板裂缝； 3） 裂缝产生机理分析

（1）通常情况下，混凝土在承受荷载之前，其内部就存在微裂缝，主要原因是：水泥石在凝结硬化过程中的收缩收到粗骨料约束二产生的微裂缝；在粗骨料界面残存的气泡形成的界面裂缝；多余的水分排出体外形成的毛细孔道。加载后微裂缝扩展，沿骨料边缘形成粘结裂缝；在外荷载的持续作用下，微裂缝、粘结裂缝聚结连生甚至与外部宏观裂缝结，混凝土的连续性遭到破坏。

（2）腹板竖向裂缝属于I型断裂即张开型断裂。对于带裂纹的构件来说，其受载程度和极限状态用应力强度因子表征。

（3）具有单边裂纹的有限板，当其受到弯曲力偶作用时，裂纹端部的应力强度因子由边界配位法可得： 式中 为无裂缝板在相应于裂纹所在截面对应的最大拉应力，其值为 ，其中M为单位板厚所受到的力偶。

（4）各种材料的Klc是由试验测得的，即每种材料的断裂韧性是一个定值。当腹板裂缝处应力强度因子达到材料的断裂韧性的时候，裂缝就向前扩张，甚至部缝已扩展到底板，严重影响桥梁的使用安全和结构耐久性。

3.2 箱梁翼板横向裂缝 1） 病害情况说明

翼板存在94条横向裂缝，纵向位于整个桥跨范围内，最大缝宽0.16mm，最大缝长2.5m，出现此类病害的箱梁跨数占全桥箱梁跨数的93%。

2）裂缝产生机理分析

（1）混凝土裂纹扩展过程的特征可以简述为以下2点：①介于混凝土的拉伸软化特性，断裂过程区的发展被在裂纹前方宽度很小的区域内；②断裂过程区以外的区域几乎都是线弹性的，断裂需要的能量几乎都在断裂区域集中消耗了。

（2）断裂能：试件完全断裂需要的全部能量（荷载～位移曲线下的面积）除以断面投影面积，当做主裂纹扩展单位面积所需的平均能量值。

①

式中： 为断裂能；Alig为韧带面积（断面投影面积）；P为荷载； 为最后断裂时的位移； u为荷载点位移；g为重力加速度；m为梁及附件质量。

（3）公式①中未考慮主裂缝开裂之前产生的能量，因而产生尺寸效应（试件韧带越长，由①式计算所得的断裂能越大）。当以加载时裂纹扩展单位面积所需要的能量来定义断裂能 ，主裂纹产生前的能量损失是不应该考虑的。公式如下：

②

式中 表示能量损失，其他意义同上。

（4）当混凝土温缩作用力所做的功大于断裂能时，裂纹就向前扩展，形成贯通裂缝。

4. 建议

4.1 专项维修建议

对宽度<0.15mm的主梁及盖梁裂缝进行封闭处理；对于宽度≥0.15mm的主梁裂缝进行灌缝处理，以确保结构的耐久性。

4.2 进一步检测建议

1） 选取主梁典型裂缝进行监测，了解裂缝发展趋势，在此基础上进一步分析裂缝成因和评估病害对桥梁的危害程度，为桥梁维修加固方案制定提供依据；

2） 对比历史检查资料可知，主梁裂缝在持续发展，结构状况在持续恶化，建议对桥梁进行承载能力鉴定，以便制定针对性的桥梁维修加固方案。

此外，桥梁应采用合适的频率加强检查和养护维修，尤其在冬夏两季气温极端时加强日常养护管理工作，并注意严禁超载超限车辆通行，确保桥梁安全。

参考文献

【1】 洪启超.工程断裂力学基础[M].上海：上海交通大学出版社，1986. 【2】 周志祥.高等钢筋混凝土结构[M].北京：人民交通出版社，2002.