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【摘要】近几年来，随着国家对高速公路上的行驶车辆进行计重收费以来，大量超重车辆涌入不计重收费的一级公路；更多的超重车辆行驶在不收费的二级路上，导致本来设计标准就低于高速公路的普通干线道路上的简支梁桥，上部结构水泥砼裂缝产生速度加快，桥梁安全管理面临着更加严峻的形势。鉴于此，对简支梁桥上部结构水泥砼裂缝机理进行研究，是非常有必要的。
【关键词】简支梁桥；水泥混凝土；裂缝
1. 引言
近几年来，随着国家对高速公路上的行驶车辆进行计重收费以来，大量超重车辆涌入不计重收费的一级公路；更多的超重车辆行驶在不收费的二级路上，导致本来设计标准就低于高速公路的普通干线道路上的简支梁桥，上部结构水泥砼裂缝产生速度加快，桥梁安全管理面临着更加严峻的形势。鉴于此，对简支梁桥上部结构水泥砼裂缝机理进行研究，是非常有必要的。
2. 简支梁桥上部结构混凝土产生裂缝原因：
（1）简支梁桥墩台的不均匀沉陷引起的裂缝。
（2）简支梁桥上部结构伸缩缝失效引起梁体产生附加应力导致裂缝。
（3）简支梁桥支座（四氟滑板及普通橡胶支座）失效引起梁的附加应力，从而产生裂缝。
（4）简支梁桥梁板刚度不足导致产生过大竖向下挠度产生裂缝。
（5）严重超载车辆使梁板体底部弯曲开裂和剪切开裂。
（6）强风、地震、船体、流冰等不可抗拒的外部冲击力致使梁体裂缝。
（7）水泥砼振捣不实而引起梁体收缩裂缝。
（8）梁体水泥砼施工养护不及时而引起的干缩开裂。
（9）外部环境温度变化剧烈导致梁体突然产生的龟裂现象。
（10）施工接缝处水泥砼养护龄期不同以至于产生裂缝。
3. 梁体裂缝主要有垂直裂缝、纵向裂缝、斜裂缝等类型
3.1纵向裂缝。
纵向裂缝，就是发生在板顶部或板底（梁底）顺桥向的裂缝。
3.1.1原因一（人为因素）：纵向预应力施加过大。有的设计人员误认为压应力储备越大就越安全，实践证明这是错误的看法。以20米预应力先张空心板为例，超张拉2～3MPa是可行的，这样做可以适当抵消预应力钢绞线长期弹性回缩损耗的应力；但如果超张拉10～15MPa，在重力方向发生较大的拉应变，在最薄弱的截面通常会沿预应力钢绞线的截面出现纵向裂缝，导致水下渗会沿着管壁流动，造成的预应力钢绞线（预应力钢筋）锈蚀比横向裂缝要更加严重。如果超张拉大于15MPa，钢绞线就可能绷断（在施工场地上飞舞），发生严重的质量安全事故，甚至危及施工人员的生命。
3.1.2原因二（人为因素）：严重超载在较大跨径简支梁桥中，特别是超重车轴荷载的作用，对桥梁横向影响比纵向更大。研究表明，桥梁纵向弯矩中，自重占得比重稍大一些；而横向弯矩，主要受活载影响，轴重超过规范要求时，非常容易出现顶板下缘的纵向裂缝。以下是简支梁桥上部结构劣化案例调查。
3.1.2.1案例一：薛馆路潍坊段岸头弥河大桥。
（1）桥梁简介：中心桩号K118+517，桥长164.6米，8孔20米后张预应力空心板简支梁桥，建成于1995年10月，于2007年3月，开始大修。
（2）病害部位及内容：A.空心板底。横向裂纹，宽度2～3mm。B.桥面铺装。顺铰缝方向，纵向裂缝较多，宽1cm左右；坑槽多，重度龟裂，甚至出现坑洞。C.具体部位：第1、2、3、4孔各有3片板板底出现横缝；第5、6孔各有4片板板底出现横缝；第7、8孔各有5片板板底出现横缝。
（3）具体实施方案：凿除全部水泥砼桥面铺装，拆除34片预应力后张空心板，换上136块橡胶支座（伸缩缝端安装四氟滑板支座），换上30片先张空心板，浇筑完铰缝后，在空心板上面绑扎两层12螺纹钢，重新浇筑10厘米厚水泥砼桥面铺装，养护28天后开放交通。紧后，潍坊市公路局经省交通厅批准，在桥西700米设超限检查站一处，莱钢运钢材、铁矿粉的重车（自重加货物重达200吨）绕行他处（又制造了多座危桥，此处不再赘述）。该桥运行至今，使用良好。
3.1.2.2案例二：新海路潍坊段西张僧桥。
（1）桥梁简介。中心桩号K360+667，桥长56米，4孔13米普通钢筋砼简支T梁桥，建成于1998年10月，于2005年9月，开始大修。
（2）病害部位及内容：
T梁底。自腹板至翼板发生自跨中底部向梁端部对称裂纹，宽度1～2mm。
桥面铺装。顺湿接缝（铰缝）方向，纵向裂缝较多，宽1cm左右；坑槽多，重度龟裂，甚至出现坑洞。
具体部位：第1、2、3、4孔各有3片板板底出现横缝。
具体实施方案：拆除普通钢筋砼T梁，照原设计重新预制安装普通钢筋砼T梁，并照原标准浇筑水泥砼桥面铺装。由于当年拉沙去东营的重车剧增，2006年8月份该桥上部结构又不得不拆除换上13米预应力先张空心板，2007年10月该桥上部结构又拆除换上现浇连续箱梁，使用至今效果良好。
3.1.3原因三（人为因素）：支座形式。有些施工单位为了偷工减料，把伸缩缝端应该使用的四氟滑板支座用普通橡胶支座代替，在温度、荷载、收缩等的影响下，易导致空心板（T梁）纵向开裂。
3.1.4原因四（人为因素）：支座布置的影响。每片预应力空心板都由四块支座支撑。按规范规定，支座中心与腹板中心有一定的横向间距，支座反力由腹板传至墩（台）顶，如果支座位置不严格按照设计图纸布设而随意施工，就会导致空心板顶中部上缘产生拉应力，使板顶产生纵向裂缝。
3.1.5原因五（人为因素）：温差应力估计失当。案例：2008年2月份，笔者在京沪高速公路化临段柴汶河特大桥（桥长606.76米，按现行桥长划分标准属于大桥）大修工程预制场，实测了光明河大桥预制的20米预应力先张空心板采取蒸汽养生，量测温度变化和顶底板的应变，发现顶板比底板应变大，相差接近4倍；而规范相应规定偏小，使施工人员对温差影响纵向裂缝的因素重视程度不够，使本来可以避免的空心板纵向裂缝发生了。 3.1.6原因六（人为因素）：梁体扭转由于吊装或其他原因，导致梁体三维受力不均衡，使预应力空心板（T梁）扭转（畸变）产生纵向裂缝。案例：2008年2月份，笔者在京沪高速公路化临段柴汶河特大桥大修工程预制场，起吊30米后张工形梁用两台龙门吊抬梁时，由于一位龙门吊操作手按行走按钮方向错误，使一片30米工形梁扭曲从腹板处产生了一道纵向裂缝。
3.1.7原因七（自然因素）：水化热导致纵向裂缝。案例：笔者在东红路临朐环城段弥河大桥T梁预制施工中观察，发现T梁腹板与翼板交接处纵向裂缝产生的频率高，缝浅而细，尤其是刚刚拆除模板时发展较快；这种裂缝往往是拆除模板时，梁体与周围空气温差、湿度差异较大造成的，尽量注意拆模温差、湿度（夏季拆模选在清晨、傍晚，春秋干燥季节拆模选在上午9点、下午四点较适宜）差异控制大多可以避免。
3.2垂直裂缝。
3.2.1原因一（人为因素）：施工粗糙，野蛮作业。案例：以京沪高速公路化临段柴汶河特大桥预制场为例，光明河大桥20米预应力先张空心板放张完毕，1-左-5空心板起吊移板过程中，两龙门吊操作手突然以下班为由将吊起的空心板又重新放回在底模上（未在板两端放置垫木），底模上正好落下一块小方木（支顶侧模的撑棍），将该片空心板垫断出现竖向裂缝。
3.2.2原因二：设计原因设计中对于简支梁桥的正截面和应力，偶尔出现疏忽，导致实际有效应力不足而出现垂直裂缝。
3.2.3案例三：案例：潍坊市宝通街公铁立交桥大修工程跨径为35米预应力后张空心板桥，每板宽度1. 5米，双室简支安装最终成为3孔连续板。设计过程中采用部分预应力A类构件设计，为了节省预应力钢绞线的数量，预应力体系采用扁锚，中腹板上布5束，竖向放置并弯起。为了能够最大限度节约预应力钢绞线，设计梁自重挠度比施加预应力后的上拱度还大7毫米；张拉完毕，梁体不上拱；梁体设计预拱度1.5cm。该设计在该桥所跨越的胶济铁路两侧双向同时施工。南侧采用的是一次性底模（预制空心板的台座），施工较粗糙，甚至出现芯模滑动、腹板厚度不均匀等情况；未架设的边板存在裂缝，其中一片缝宽0.2毫米，梁体下挠4厘米。北侧预制场台座是重复使用的，底模两端采取夯实、硬化、加宽、加深处理，预制出的空心板断面几何尺寸精确，板体光滑，未出现板体裂缝的现象。空心板吊装架设安装完毕，连续段水泥砼浇筑完毕，准备浇筑防创墙支立钢模板时，发现空心板体跨中处下挠4厘米。仔细检查两片边板，垂直裂缝多达三十余条，最宽缝宽已经达到0.3毫米，垂直裂缝有200余条超过空心板高度的50%以上。具体分析原因，设计不当是主要原因。究其根本，是有效预加应力严重不足造成的。首先是将扁锚竖向布置用作弯起束的做法是不正确的，各钢绞线束在同一管道中互相挤进扭结，弯起摩阻力损失较大；其次是设计预应力配置严重不足，梁体不能预期上拱，使预应力损失较大导致底模与空心板板底粘连不脱离。在施加梁体预应力时，梁体会被压缩，而台座会与梁体产生摩阻力，设计中未考虑到预应力损失。但是由于预应力损失过大，因此尽管设计计算时，想当然的认为空心板板底受压应力，而事实上却承受了相当的拉应力以致板底开裂。通过验算证明，该空心板板体受弯承载能力极限状态未能达到验算要求。因此，在设计中不能用扁锚竖向布置作为弯起钢束。值得强调的是，禁止因节省预应力钢绞线导致张拉完毕后空心板板体不上拱的现象，这会直接导致板体跨中出现垂直裂缝及因徐变而引起空心板板体出现下挠。
3.3斜裂缝。
斜裂缝发生在通常剪应力最大的支座附近，与梁轴线成24°至55°夹角。斜裂缝随时间的推移，不断向受压区发展；裂缝数也会增加，裂缝区逐渐向跨中方向发展。
4. 结束语
对于简支梁桥上部结构水泥混凝土裂缝进行研究，有助于该类桥梁劣化处治，可以大大延长桥梁的使用寿命，必定产生深远的社会效益和经济效益。
【关键词】简支梁桥；水泥混凝土；裂缝
1. 引言
近几年来，随着国家对高速公路上的行驶车辆进行计重收费以来，大量超重车辆涌入不计重收费的一级公路；更多的超重车辆行驶在不收费的二级路上，导致本来设计标准就低于高速公路的普通干线道路上的简支梁桥，上部结构水泥砼裂缝产生速度加快，桥梁安全管理面临着更加严峻的形势。鉴于此，对简支梁桥上部结构水泥砼裂缝机理进行研究，是非常有必要的。
2. 简支梁桥上部结构混凝土产生裂缝原因：
（1）简支梁桥墩台的不均匀沉陷引起的裂缝。
（2）简支梁桥上部结构伸缩缝失效引起梁体产生附加应力导致裂缝。
（3）简支梁桥支座（四氟滑板及普通橡胶支座）失效引起梁的附加应力，从而产生裂缝。
（4）简支梁桥梁板刚度不足导致产生过大竖向下挠度产生裂缝。
（5）严重超载车辆使梁板体底部弯曲开裂和剪切开裂。
（6）强风、地震、船体、流冰等不可抗拒的外部冲击力致使梁体裂缝。
（7）水泥砼振捣不实而引起梁体收缩裂缝。
（8）梁体水泥砼施工养护不及时而引起的干缩开裂。
（9）外部环境温度变化剧烈导致梁体突然产生的龟裂现象。
（10）施工接缝处水泥砼养护龄期不同以至于产生裂缝。
3. 梁体裂缝主要有垂直裂缝、纵向裂缝、斜裂缝等类型
3.1纵向裂缝。
纵向裂缝，就是发生在板顶部或板底（梁底）顺桥向的裂缝。
3.1.1原因一（人为因素）：纵向预应力施加过大。有的设计人员误认为压应力储备越大就越安全，实践证明这是错误的看法。以20米预应力先张空心板为例，超张拉2～3MPa是可行的，这样做可以适当抵消预应力钢绞线长期弹性回缩损耗的应力；但如果超张拉10～15MPa，在重力方向发生较大的拉应变，在最薄弱的截面通常会沿预应力钢绞线的截面出现纵向裂缝，导致水下渗会沿着管壁流动，造成的预应力钢绞线（预应力钢筋）锈蚀比横向裂缝要更加严重。如果超张拉大于15MPa，钢绞线就可能绷断（在施工场地上飞舞），发生严重的质量安全事故，甚至危及施工人员的生命。
3.1.2原因二（人为因素）：严重超载在较大跨径简支梁桥中，特别是超重车轴荷载的作用，对桥梁横向影响比纵向更大。研究表明，桥梁纵向弯矩中，自重占得比重稍大一些；而横向弯矩，主要受活载影响，轴重超过规范要求时，非常容易出现顶板下缘的纵向裂缝。以下是简支梁桥上部结构劣化案例调查。
3.1.2.1案例一：薛馆路潍坊段岸头弥河大桥。
（1）桥梁简介：中心桩号K118+517，桥长164.6米，8孔20米后张预应力空心板简支梁桥，建成于1995年10月，于2007年3月，开始大修。
（2）病害部位及内容：A.空心板底。横向裂纹，宽度2～3mm。B.桥面铺装。顺铰缝方向，纵向裂缝较多，宽1cm左右；坑槽多，重度龟裂，甚至出现坑洞。C.具体部位：第1、2、3、4孔各有3片板板底出现横缝；第5、6孔各有4片板板底出现横缝；第7、8孔各有5片板板底出现横缝。
（3）具体实施方案：凿除全部水泥砼桥面铺装，拆除34片预应力后张空心板，换上136块橡胶支座（伸缩缝端安装四氟滑板支座），换上30片先张空心板，浇筑完铰缝后，在空心板上面绑扎两层12螺纹钢，重新浇筑10厘米厚水泥砼桥面铺装，养护28天后开放交通。紧后，潍坊市公路局经省交通厅批准，在桥西700米设超限检查站一处，莱钢运钢材、铁矿粉的重车（自重加货物重达200吨）绕行他处（又制造了多座危桥，此处不再赘述）。该桥运行至今，使用良好。
3.1.2.2案例二：新海路潍坊段西张僧桥。
（1）桥梁简介。中心桩号K360+667，桥长56米，4孔13米普通钢筋砼简支T梁桥，建成于1998年10月，于2005年9月，开始大修。
（2）病害部位及内容：
T梁底。自腹板至翼板发生自跨中底部向梁端部对称裂纹，宽度1～2mm。
桥面铺装。顺湿接缝（铰缝）方向，纵向裂缝较多，宽1cm左右；坑槽多，重度龟裂，甚至出现坑洞。
具体部位：第1、2、3、4孔各有3片板板底出现横缝。
具体实施方案：拆除普通钢筋砼T梁，照原设计重新预制安装普通钢筋砼T梁，并照原标准浇筑水泥砼桥面铺装。由于当年拉沙去东营的重车剧增，2006年8月份该桥上部结构又不得不拆除换上13米预应力先张空心板，2007年10月该桥上部结构又拆除换上现浇连续箱梁，使用至今效果良好。
3.1.3原因三（人为因素）：支座形式。有些施工单位为了偷工减料，把伸缩缝端应该使用的四氟滑板支座用普通橡胶支座代替，在温度、荷载、收缩等的影响下，易导致空心板（T梁）纵向开裂。
3.1.4原因四（人为因素）：支座布置的影响。每片预应力空心板都由四块支座支撑。按规范规定，支座中心与腹板中心有一定的横向间距，支座反力由腹板传至墩（台）顶，如果支座位置不严格按照设计图纸布设而随意施工，就会导致空心板顶中部上缘产生拉应力，使板顶产生纵向裂缝。
3.1.5原因五（人为因素）：温差应力估计失当。案例：2008年2月份，笔者在京沪高速公路化临段柴汶河特大桥（桥长606.76米，按现行桥长划分标准属于大桥）大修工程预制场，实测了光明河大桥预制的20米预应力先张空心板采取蒸汽养生，量测温度变化和顶底板的应变，发现顶板比底板应变大，相差接近4倍；而规范相应规定偏小，使施工人员对温差影响纵向裂缝的因素重视程度不够，使本来可以避免的空心板纵向裂缝发生了。 3.1.6原因六（人为因素）：梁体扭转由于吊装或其他原因，导致梁体三维受力不均衡，使预应力空心板（T梁）扭转（畸变）产生纵向裂缝。案例：2008年2月份，笔者在京沪高速公路化临段柴汶河特大桥大修工程预制场，起吊30米后张工形梁用两台龙门吊抬梁时，由于一位龙门吊操作手按行走按钮方向错误，使一片30米工形梁扭曲从腹板处产生了一道纵向裂缝。
3.1.7原因七（自然因素）：水化热导致纵向裂缝。案例：笔者在东红路临朐环城段弥河大桥T梁预制施工中观察，发现T梁腹板与翼板交接处纵向裂缝产生的频率高，缝浅而细，尤其是刚刚拆除模板时发展较快；这种裂缝往往是拆除模板时，梁体与周围空气温差、湿度差异较大造成的，尽量注意拆模温差、湿度（夏季拆模选在清晨、傍晚，春秋干燥季节拆模选在上午9点、下午四点较适宜）差异控制大多可以避免。
3.2垂直裂缝。
3.2.1原因一（人为因素）：施工粗糙，野蛮作业。案例：以京沪高速公路化临段柴汶河特大桥预制场为例，光明河大桥20米预应力先张空心板放张完毕，1-左-5空心板起吊移板过程中，两龙门吊操作手突然以下班为由将吊起的空心板又重新放回在底模上（未在板两端放置垫木），底模上正好落下一块小方木（支顶侧模的撑棍），将该片空心板垫断出现竖向裂缝。
3.2.2原因二：设计原因设计中对于简支梁桥的正截面和应力，偶尔出现疏忽，导致实际有效应力不足而出现垂直裂缝。
3.2.3案例三：案例：潍坊市宝通街公铁立交桥大修工程跨径为35米预应力后张空心板桥，每板宽度1. 5米，双室简支安装最终成为3孔连续板。设计过程中采用部分预应力A类构件设计，为了节省预应力钢绞线的数量，预应力体系采用扁锚，中腹板上布5束，竖向放置并弯起。为了能够最大限度节约预应力钢绞线，设计梁自重挠度比施加预应力后的上拱度还大7毫米；张拉完毕，梁体不上拱；梁体设计预拱度1.5cm。该设计在该桥所跨越的胶济铁路两侧双向同时施工。南侧采用的是一次性底模（预制空心板的台座），施工较粗糙，甚至出现芯模滑动、腹板厚度不均匀等情况；未架设的边板存在裂缝，其中一片缝宽0.2毫米，梁体下挠4厘米。北侧预制场台座是重复使用的，底模两端采取夯实、硬化、加宽、加深处理，预制出的空心板断面几何尺寸精确，板体光滑，未出现板体裂缝的现象。空心板吊装架设安装完毕，连续段水泥砼浇筑完毕，准备浇筑防创墙支立钢模板时，发现空心板体跨中处下挠4厘米。仔细检查两片边板，垂直裂缝多达三十余条，最宽缝宽已经达到0.3毫米，垂直裂缝有200余条超过空心板高度的50%以上。具体分析原因，设计不当是主要原因。究其根本，是有效预加应力严重不足造成的。首先是将扁锚竖向布置用作弯起束的做法是不正确的，各钢绞线束在同一管道中互相挤进扭结，弯起摩阻力损失较大；其次是设计预应力配置严重不足，梁体不能预期上拱，使预应力损失较大导致底模与空心板板底粘连不脱离。在施加梁体预应力时，梁体会被压缩，而台座会与梁体产生摩阻力，设计中未考虑到预应力损失。但是由于预应力损失过大，因此尽管设计计算时，想当然的认为空心板板底受压应力，而事实上却承受了相当的拉应力以致板底开裂。通过验算证明，该空心板板体受弯承载能力极限状态未能达到验算要求。因此，在设计中不能用扁锚竖向布置作为弯起钢束。值得强调的是，禁止因节省预应力钢绞线导致张拉完毕后空心板板体不上拱的现象，这会直接导致板体跨中出现垂直裂缝及因徐变而引起空心板板体出现下挠。
3.3斜裂缝。
斜裂缝发生在通常剪应力最大的支座附近，与梁轴线成24°至55°夹角。斜裂缝随时间的推移，不断向受压区发展；裂缝数也会增加，裂缝区逐渐向跨中方向发展。
4. 结束语
对于简支梁桥上部结构水泥混凝土裂缝进行研究，有助于该类桥梁劣化处治，可以大大延长桥梁的使用寿命，必定产生深远的社会效益和经济效益。