预应力混凝土结构裂缝分析与防治
[摘要]开裂是预应力混凝土连续梁中一项突出问题，通过对常见裂缝按其力学特性分为弯曲裂缝、剪切裂缝、扭曲裂缝、断开裂缝、局部应力裂缝五类，从而从预应力混凝土连续梁的设计、施工和养护三个方面进行改进，并提出相应的改进措施，达到防治预应力混凝土连续梁出现影响正常使用的裂缝的目的。
[关键词]预应力混凝土 连续梁 裂缝 养护
一、引言
随着预应力混凝土连续梁式桥特别是大跨度连续梁式桥的大量修建，出现或大或小问题的桥梁也越来越多。根据中交公路规划设计院对建成的部分大跨径预应力混凝土连续梁式桥的调查结果可知，预应力混凝土连续梁式桥存在的突出问题是混凝土结构的开裂。
如某大桥主桥预应力混凝土连续梁式桥在L/4截面附近梁腹表面出现的与顶板大致呈20°-60°夹角的斜向裂缝，大多由顶板和腹板交界处开始，向下延伸至1/3-1/2梁高处，方向基本与主拉应力方向垂直[1]。这些斜向裂缝属于主拉应力裂缝，这些裂缝可能会影响结构的正常使用或结构的耐久性。
为了探明预应力混凝土结构裂缝产生的规律和形成的机理，特进行裂缝分析研究，提出从设计、施工、养护等三个方面进行裂缝的防治和分析，这对有效的预防部分预应力混凝土结构出现的影响正常实用功能的裂缝有着较好的指导作用。
二、预应力混凝土结构的特点
预应力混凝土结构不同于钢筋混凝土结构，分析其特点对于裂缝的分析和防治有着较好的指导意义。其特点总结如下：
1）采用预应力混凝土结构能够提高构件的抗裂度和刚度[2]。
2）采用预应力混凝土结构可以节省材料，减少自重。预应力混凝土由于采用高强材料，因而可以减小构件截面尺寸。
3）使用预应力混凝土结构能够保证结构质量、使用耐久。
4）使用预应力混凝土结构能够促进了桥梁结构新体系与施工方法的发展。
三、裂缝的分类和成因
根据裂缝的力学特性将混凝土裂缝分为以下几类：
1）弯曲裂缝。一般是垂直裂缝，是混凝土构件受弯矩作用产生的裂缝。弯曲裂缝首先出现在弯矩最大截面的混凝土受拉区。
2）剪切裂缝。又称斜裂缝，首先发生在剪应力最大的部位。剪切裂缝一般发生在支点附近，由主拉应力引起，沿中性轴呈25°-45°开裂。
3）扭曲裂缝。它是混凝土构件受弯曲和扭转共同作用下而产生的裂缝，此类裂缝一般呈45°倾斜，并有多条。
4）断开裂缝。混凝土构件受拉时截面上产生的裂缝称为断开裂缝，沿正截面开展。
5）局部应力裂缝。由局部应力引起的裂缝，主要出现在支座、锚头首局部应力较大的部位或突然受撞击的部位。
四、防治裂缝的方法和相应的措施
（一）设计中的防治措施
1）通过配置预应力剪力钢筋（竖向箍筋和斜筋）来预防裂缝。
对于上述裂缝成因中，以剪切破坏的危害最大。对于预应力钢筋混凝土结构，由于弯剪共同作用下，可能发生斜截面破坏。斜截面破坏前总要发生弯矩和剪力引起的主拉应力裂缝，但此时构件还未丧失承载能力。预应力混凝土结构沿斜截面破坏的原因有如下两个：
1.弯矩破坏。当量内纵向钢筋配置不足时，钢筋屈服后，裂缝分开的两部分将围绕其受压区中性点转动。此时，斜裂缝扩张，受力区减小，最后混凝土产生法向裂纹而破坏。
2.剪力破坏。当梁内纵向钢筋配置较多，且锚固可靠时，则阻碍着裂缝两侧部分的相对转动，受压区混凝土在压力和剪力的共同作用下被剪断或压碎。此时，距受压区较远的钢筋达到屈服强度，而另一部分尚未达到。
相对于钢筋混凝土梁，预应力混凝土梁中的预加应力可以推迟斜裂缝的形成和发展，因而其抗剪能力有较大的提高。
2）合理布置桥跨。
合理的桥跨布置主要包括桥跨的总长度和桥梁各垮的跨径分配以及桥高等方面。就桥跨总长度而言，根据《公路桥梁设计手册》，预应力混凝土连续梁的最大理论跨度为250～300m，经济跨度为100～240m。对于预应力混凝土连续桥，由于其连续变形的特点，孔跨布置一般宜采用不等跨的形式，其边跨和主跨之比是否合适，直接影响到结构的受力合理性。从理论上讲，对于连续梁式桥，一般边跨长度取为中跨跨径的0.5～0.8倍，这样可以使中间跨中不致产生异号弯矩，对减少裂缝的产生有很大的作用。
（二）施工阶段的防治措施
预应力混凝土结构中预应力是预先施加在浑南凝土梁中的永久性内应力，但是预应力在不同的施工条件会有不同的预应力损失，导致后期再外荷载的作用下产生各种裂缝，故必须控制预应力损失。
预应力损失包括六项，分别为：1、预应力筋和管道壁间摩擦引起的损失（σι1）2、锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩引起的应力损失（σι2）3、钢筋和台座间的温差引起的应力损失（σι3）4、混凝土弹性压缩引起的应力损失（σι4）5、钢筋松弛引起的应力损失（σι5）6、混凝土收缩和徐变产生的应力损失（σι6）
相应的措施：1、通过超张拉来减小σι1和σι2。2、通过选择变形小的锚具来减小σι2。3、通过二次升温的养护方法，即初次升温的温度控制在20℃以内，待混凝土达到一定的强度能够阻止钢筋在混凝土中的自由滑移后，再将温度升至所需温度进行养护，应力损失（σι3）。4、通过选择低松弛的钢筋，低收缩、徐变的混凝土来减小σι4σι5σι6。
（三）养护阶段的预防裂缝措施
混凝土养护包括湿度和温度两个方面，养护不仅是浇水，还是控制混凝土的温度变化，在湿养护的同时，应该保证混凝土表面温度与内部温度和所接触的大气温度之差不出现过大的差异，采取保温和散热的综合措施，防止温降和温差过大。
混凝土温度控制的原则：1、升温不要太早和太高；2、降温不要太快3、混凝土中心和表面之间，新老混凝土之间，以及混凝土表面和气温之间的温差都不要太大。相应的措施：
①降低入模温度。同样的混凝土，入模温度高的其温升值要比入摸温度低的大得多。这主要是由于混凝土僵住温度越高，水化反应愈快，释放的热量愈多，升温愈高，又进一步加速水化反应。因此必须对入模温度进行控制、即在温度很高时应采取措施设法降低混凝土的入模温度到适当值。
②控制最高温度：通常可取得混凝土温度控制值，为混凝土入模后的内部最高温度，一般不高于65℃，最好控制在60℃以下。
四、结语：
预应力混凝土连续梁的开裂是预应力混凝土结构中的突出问题，通过在设计、施工、养护三个方面的该井，提出相应的措施来控制预应力混凝土结构的裂缝，这对防止预应力混凝土连续梁中的裂缝有着积极的指导作用。
[参考文献]
[1]朱汉华，陈孟冲，袁迎捷.预应力混凝土连续箱梁裂缝分析与防治.人民交通出版社，2006.3
[2]叶见曙，李国平.结构设计原理.人民交通出版社，2005.5
