大跨径预应力混凝土薄壁箱梁桥施工早期裂缝的控制技术初步研究

文良统

0 引言

预应力连续箱梁结构具有整体性好、跨越能力强、施工费用少等优点，在大型桥梁中得到了广泛应用，但由于其混凝土收缩、徐变、温湿度变化，预应力损失，原材料及混凝土施工质量等影响，容易引起箱梁混凝土开裂。按照全预应力设计的要求，箱梁结构不允许带裂缝工作，裂缝的出现不仅对结构的耐久性和使用寿命带来严重损害，而且对结构的整体安全性带来严重隐患。

近十年来，大跨径混凝土梁桥不断发展，主跨的持续下挠，腹板斜裂缝，底板裂缝、横隔板裂缝等现象已成为国内外大跨径预应力混凝土梁桥的常见病害。混凝土开裂是一个复杂的综合性问题，它涉及结构、材料与施工等多方面因素［1］。准确分析和评价混凝土的开裂趋势，是采取措施有效地减少或避免开裂的前提。在重要的混凝土结构基础设施建设过程中，对材料的抗开裂性能进行评价，并以其作为设计、施工与原材料选用的依据，有效地保证结构物在不同环境中达到其设计使用寿命，已成为当前混凝土材料界和工程界研究领域的热点问题。

混凝土结构施工早期的开裂问题越来越受到重视［2，3］，到目前为止，国际材料与结构试验和研究实验室联合会(RILEM)已经召开过三次会议:1982年在巴黎召开了“早期混凝土”会议;1994年在德国慕尼黑召开了“混凝土早期热裂缝”国际会议;2001年在以色列召开了“胶凝系统的早期开裂”会议。

本文结合广西自治区贵港市桂平郁江特大桥连续梁桥施工的实际情况来加以论述大跨预应力混凝土箱梁桥施工质量控制措施。广西梧州至贵港高速公路k124+770桂平郁江特大桥桥型结构为:12×30 m T梁+(88+2×160+88)m+18×30 m T梁，桥长1 404 m。主桥采用预应力混凝土变截面薄壁连续刚构，下部采用双薄壁实心墩;引桥上构为先简支后连续预应力混凝土T梁，下部结构为双柱式桥墩，桥台为肋式桥台;全桥基础为钻孔桩基础。

结合上述桂平郁江特大桥现场施工实际情况，考虑混凝土箱梁桥的特点，制定适合大跨连续箱梁混凝土施工技术方案和现场质量控制措施，提出具有可操作性的控制混凝土浇筑质量特别是控制早期混凝土裂缝的相应技术方法。

1 箱梁混凝土预防早期裂纹产生的施工措施

1.1 控制原材料质量

对原材料(钢筋、水泥、砂、碎石、水等)都应进行严格的抽样检验，对混凝土配合比应进行对比试验。如果砂、碎石的含水量与设计时存在差异(比如说温度过高或者下雨后)应对其含水量进行重新测试，并根据实测含水量实时调整配合比，以保证混凝土的浇注质量。箱梁混凝土材料控制和配合比优化的主要原则如下:

1)为增加混凝土的早期强度、减少水化热及由此导致的温差引起的早期裂缝，减少水化时引起的收缩裂纹，建议在薄壁箱梁混凝土施工时选用初凝时间较长、水化热低、收缩小、含碱量较低的高品质水泥。

2)依据《公路桥涵施工技术规范》(JTJ 041－2000)［4］的要求，严格控制粗骨料的含泥量，有机质、硫化物及云母等杂质的含量，砂、石的含泥量应根据控制在1%以内。

3)为获得较小的混凝土空隙率及表面积，应控制骨料级配，应该选取强度高、级配好的骨料，从而减小混凝土的内部缺陷，提高混凝土的质量，避免因缺陷导致应力集中而产生裂缝。

4)严格控制好水泥用量，在达到强度要求的基础上尽量少用水泥，以免产生因水泥用量过多导致的收缩裂纹、水化热裂缝等现象。

5)选择合适的外加剂，如膨胀剂、减水剂、缓凝剂等，起到增加和易性、增加强度、改善塑性的作用。另外，为减小水泥用量，可在箱梁混凝土中掺入一定量的粉煤灰，以提高其密实度，降低收缩值。

1.2 优化配合比

对于强度较高的混凝土(一般对于强度等级大于C50的混凝土)，应根据箱梁混凝土技术参数要求、使用原材料情况和设计参数的确定，从水胶比、胶凝材料总用量及粉煤灰掺量等参数上变化设置10组以上配合比，对10组配比进行分析、比较。以某主跨154 m的连续梁桥为例，该桥箱梁混凝土强度等级为C55，优化和配合比为:水泥∶粉煤灰∶砂∶碎石∶水∶外加剂 =353∶116∶730∶1 121∶142∶5.159(kg/m3)。最优配合比下拌合物及混凝土性能见表1。

利用该配合比进行该大桥施工，效果良好，主要表现在以下几个方面:

1)标养和现养条件下混凝土28 d的立方体抗压强度分别为 74.9 MPa 和69.2 MPa。

2)混凝土入模温度较低，腹板混凝土浇筑后的绝对温升不大，水化过程中箱梁内外温差很小，箱梁混凝土水化热并不会导致裂缝的出现。

3)施工过程中及成桥后均无可见裂缝产生。

1.3 采用大刚度挂篮

该桥挂篮主桁系统采用三角形，杆件由H600型钢加工而成，型钢两侧各贴钢板形成箱形截面杆件，各杆之间通过箱式节点板及材质30CrMnTi和45#钢的销子连接。平联采用槽钢组焊，通过销轴连接主桁，以提高主桁的整体稳定性和刚度。模板重量和浇筑混凝土阶段混凝土的重量由挂篮前吊杆和后吊杆承担。主要技术参数如表2所示。

表2 本挂篮主要技术指标

挂篮是大跨预应力混凝土连续梁桥施工时混凝土阶段混凝土浇注时的重要工作平台和承重构件，其强度、刚度及稳定性对悬臂浇注施工桥梁的混凝土浇注质量和整体安全非常重要，因此在挂篮使用前对其预压是十分必要的，预压结果表明，本次挂篮预压得到的挂篮弹性变形为18 mm，不可恢复的非弹性变形为4.5 mm，残余变形值较小，表明该挂篮的弹性性能和恢复性能良好。大刚度挂篮可以很好的抑制箱梁混凝土的早期裂缝。

1.4 规范浇筑工艺，加强现场养护

1.4.1 浇筑工艺

1)浇注混凝土前，应对支架、模板、钢筋和预应力筋进行检查，符合要求后方可浇注混凝土。用与混凝土搅拌用水清洗模板内的杂物。浇注混凝土前，对混凝土的坍落度和均匀性进行检查。

2)冬季施工时，混凝土拌合物的出机温度不宜低于10℃，入模温度不得低于5℃。

3)热期施工时，混凝土的浇注温度应控制在32℃以下，宜选在一天温度较低的时间内进行。

4)自高处向模板内浇注混凝土时，为避免混凝土发生离析，浇注高度应符合下列要求:

①倾落高度不应超过2 m;

②当倾落高度超过2 m时，应通过串筒或溜管等设施下落;倾落高度超过10 m时，应设置减速装置;

③在串筒出料口下面，混凝土堆积高度不宜超过1 m。

5)混凝土应按一定厚度、顺序和方向分层浇筑，应在下层混凝土初凝之前浇注完成上层的混凝土。混凝土分层厚度不宜超过表3的规定。

表3 混凝土分层浇筑厚度

另外，不得使用局部已硬化的混凝土、加水重拌的混凝土以及初凝后再次搅拌的混凝土。当采用插入式振动器时，振动棒应选用50型或70型。钢筋密集处和狭窄处可选用30型振动棒进行振捣，确保振捣全面到位。混凝土的振捣宜符合下列规定:

1)为消除上、下两层之间的接缝，振动棒应插入到新浇混凝土底部并进入到下层混凝土150 mm左右，同时应将振动棒上下抽动，持续时间宜为5～10 s，使混凝土接触面密实。

2)根据现场混凝土坍落度情况，确定合理的振捣时间，对于坍落度在60～80 mm的混凝土，一般每点振捣时间控制在20～30 s左右，对于坍落度较大的泵送混凝土，一般每点振捣时间控制在15～20 s左右，避免振捣不充分或者过振。

3)混凝土塑性沉降裂缝易出现在流动性较大的混凝土特别是泵送混凝土中。为防止塑性沉降裂缝的出现，对于坍落度大于100 mm的混凝土，应在混凝土浇注完毕、初凝完成之前对顶层混凝土进行复振，振捣时间宜为10～15 s。

4)若构件表面浮浆较厚，可采取可靠措施及时将浮浆清除。尤其要注意预应力齿板处的振捣，此处局部配筋密集，不易振捣密实，容易在张拉时产生荷载裂缝。振捣时应注意振捣器不能直接接触波纹管，以避免波纹管破裂或者产生较大的变形。

1.4.2 养护工艺

规范现场混凝土浇筑工艺的同时，还应该加强养护工作，结合薄壁箱梁混凝土的特点，形成一套完善的养护措施:

1)应根据混凝土施工时间的长度，确定混凝土搅拌及运输的方案，避免混凝土在运输过程中水分蒸发过多，导致塌落度降低，和易性变差，进而影响施工，发生泵送混凝土的堵管现象。混凝土一次不宜浇注过多，以免水分蒸发，发生因施工不当导致的不规则裂纹。

2)箱梁截面一般较高，在高度方向通常会分层浇注，这是两层的结合面应充分凿毛，另外，分段浇注混凝土的端面也应该严格按规范执行，以免混凝土结合界面产生裂缝。

3)振捣混凝土应严格按《公路桥涵施工技术规范》(JTJ 041－2000)［4］执行，避免过振导致混凝土离析、漏振及振捣不密实导致混凝土内部产生空洞或孔洞，影响混凝土施工质量，受力后应力集中，产生裂缝。

4)浇筑完毕后，应及时对其加以覆盖并保湿养护，顶板和底板表面，采用塑料薄膜或者土工布;温度低于5℃时，应采用棉被覆盖，以确保混凝土养护到位。

5)悬臂浇注施工的关键之一，在于合理控制拆模时间，依据现场混凝土的养护强度及弹性模量发展规律，建议箱梁施工时拆模时间应控制在4 d以上。

1.5 降低混凝土的水化热

我国《公路桥涵施工技术规范》(JTJ 041－2000)［4］指出:大体积混凝土是指最小边尺寸在1～3 m范围内的混凝土。日本建筑学会标准(JASS5)［5］认为:“结构断面最小尺寸在 0.8 m 以上，若水化热导致的内外温差大于25℃，可以称之为大体积混凝土。”桂平郁江特大桥箱梁0#块及1#块梁段腹板、底板的厚度均接近1 m，可以认为其为大体积混凝土，因此，混凝土早期水化热不容忽视，如果养护措施不到位，极易产生混凝土开裂。因此控制水化热是十分有必要的［5，6］。水泥水化热将导致混凝土内部温度上升，使得构件内存在内表温度差。控制水化热导致温差过大引起箱梁开裂的主要措施如下:

1)减小水泥用量，在保证混凝土强度的前提下，限制水泥用量，并且选择水化热低的水泥品种。

2)采取合理的养护措施，加强混凝土的表面保温，减小混凝土内外温差，冬季施工特别要注意对混凝土进行保温养护。

3)规定合理的拆模时间，最后在现场试验室进行混凝土强度发展曲线测试，依据混凝土强度发展曲线合理确定拆模时间，另外，如果遇到风力特别大或者温度骤然变化，应更加注意拆模导致的温度变化。

4)掺加适量的粉煤灰以减少水泥用量，是降低混凝土的水化热导致的温差过大，防止箱梁混凝土出现温致裂缝最有效的方法之一。

1.6 严格控制张拉龄期

混凝土结构在施工过程中的力学表现，受诸多可变因素的影响，是最典型的慢速时变结构力学问题之一。混凝土材料的物理力学性能诸如混凝土抗压强度、弹性模量等均随着龄期的增长而不断变化发展，尤以早期发展最为迅速。

我国设计规范［7］缺少对混凝土强度发展规律的描述，而混凝土薄壁箱梁一般采用强度较高(高于C50)的混凝土，这类混凝土的强度及弹性模量的发展规律直接影响施工期间混凝土的设计方法和施工工艺，因此有必要对混凝土的早期强度进行研究。一般通过在现场及试验室养护同批次的混凝土立方体和棱柱体试件，测试混凝土早期的强度及弹性模量发展曲线，然后依据实测曲线进行理论分析，进而确定混凝土的张拉龄期，避免因预应力过早张拉导致混凝土箱梁开裂。

根据实验室标准养护和现场同条件养护下混凝土强度、弹性模量的发展曲线，测试结果表明:实验室标准养护条件下的混凝土强度要高于现养条件对应的强度;自然养护时，棱柱体弹性模量发展速率较快;因此，实际施工过程中应预留现养试块，并以此作为施工进度指导依据。

依据现场混凝土强度及弹性模量的测试结果:预应力不应过早张拉，应严格按照设计要求的7 d张拉龄期，进行预应力张拉。

1.7 保障预应力的有效性

腹板开裂是连续梁桥开裂最常见一种，竖向预应力能有效防止腹板开裂(有效预应力得到保证)。但目前工程中即便腹板设置竖向预应力，但还是普遍存在开裂现象，因此有必要对竖向预应力损失进行测试。结合桂平郁江特大桥预应力的的施工，建议采取的措施如下:

1)张拉前准备工作。准确定位预应力管道;配套标定油泵、油表、千斤顶等设备，防止张拉设备的误差造成预应力张拉不到位。

2)严格按照设计图纸和现场测试结果确定的张拉龄期进行预应力张拉。

3)根据现场条件，选取有代表性的钢束进行现场预应力损失测定，并与设计提供的预应力损失进行比较，及时调整预应力设计及施工方案，确保钢束中的有效预应力达到要求。

4)采取适当的措施，保证预应力孔道的灌浆质量，对于大跨预应力混凝土箱梁桥应采用真空灌浆，并对灌浆质量进行检查。

5)对于长度较短的预应力钢束，一般长度小于6 m的钢束，应特别注意预应力的张拉质量，箱梁内长度较短的横、竖向预应力可以采用二次张拉的锚具，以减小预应力损失。

2 箱梁裂缝评价和保证的成套体系

以该桥箱梁裂缝控制为研究背景，通过从原材料质量控制与优选、混凝土配合比设计与优选、箱梁混凝土合理施工与养护技术等方面的研究，提出箱梁裂缝控制评价和保证体系，如图1所示。

图1 箱梁裂缝控制评价和保证体系

3 结论

本文结合高强混凝土薄壁箱梁的特征提出大跨预应力混凝土箱梁桥施工质量控制措施:

1)控制原材料质量;

2)优化配合比;

3)规范浇注及养护工艺;

4)严格控制张拉龄期;

5)保证有效预应力的大小。

形成了箱梁裂缝控制评价和保证体系，可供同类桥梁参考。

［1］吕志涛，刘 钊，孟少平.浅论我国预应力混凝土梁桥的技术与发展［J］.桥梁建设，2001(1):52－56.

［2］ACI Committee 224.Control of cracking in concrete structures［R］.American Concrete Institute，2001.

［3］Transportation research board of the national academies.Control of Cracking in Concrete［R］.Transportation research circular E－C107，Washington，DC，2006.

［4］JTJ 041－2000，公路桥涵施工技术规范［S］.

［5］日本建筑学会.日本建筑学会标准(JASS5)［Z］.2003.

［6］朱伯芳.水工混凝土的温度应力与温度控制［M］.北京:水利水电出版社，1976.

［7］JTG D62－2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.