大跨度连续箱梁预应力混凝土裂缝预防和施工控制

1大跨度连续箱梁预应力混凝土裂缝预防和施工控制摘要结合石武客运专线中平跨京珠高速公路特大桥悬浇连续箱梁施工实践，对预应力混凝土裂缝成因进行了归纳分析，并对混凝土裂缝的预防及施工控制进行初步探索。关键词大跨连续箱梁预应力混凝土裂缝预防施工控制1工程概况石武客运专线中平跨京珠高速公路特大桥悬浇箱梁跨度（70+128+70）m，截面采用单箱单室、变高度、变截面直腹板形式。箱梁顶宽12.0m，底宽7.0m。顶板厚度除梁端附近外均采用450~650mm，按折线变化；腹板厚度640~1100mm，按折线变化；底板厚由跨中的520mm按二次抛物线变化至根部的1200mm。全联在端支点、中跨中及中支点处共设置5个横隔板，隔板厚度：边支座处1.5m，中跨中0.8m，中支点处3.0m。横隔板设有孔洞，供检查人员通过。箱梁混凝土采用C50混凝土，设纵向、横向、竖向三向预应力。2预应力混凝土裂缝成因分析2.1泵送混凝土产生早期收缩裂缝的原因⑴最近几年水泥改用国家新标准生产以后水泥的物化性质有所改变，具体表现在水泥的比表面积增大，部分P.O52.5水泥的0.09mm筛余量在0％～2％之间，造成水泥水化速度加快、水化热集中、需水量增加；部分水泥熟料刚出窑就立即细磨，且不需停放，只要检验合格随即出厂使用，这些过热水泥配制混凝土，一方面水化速度快、需水量大，如果处于干燥环境混凝土极易造成收缩裂缝,另一方面混凝土强度亦要降低8％左右。⑵受泵送条件的限制,混凝土需要增大胶凝浆体和拌和水用量,增大砂率,降低碎石用量,一方面导致混凝土抗拉性能下降,表面结构脱水变松散;另一方面砂率增大亦增加拌和水用量，加上过多的胶凝浆体造成混凝土的收缩应力增加,一旦收缩应力大于混凝土的抗拉强度,收缩裂缝将不可避免地出现。2⑶混凝土外加剂的应用可以降低混凝土拌和物的用水量，但有些外加剂的成分如早强成分会加大混凝土的干缩，，因此使用前需对外加剂和水泥的适应性进行检测并确定外加剂的有效成分的种类。另外在使用水化热较高水泥和缓凝性减水剂配制的混凝土由初凝阶段进入终凝阶段的时间减短，短暂时间内急需水分补充，否则表面裂缝很快就会形成。⑷配合比设计中砂率、水灰比选择不当、减水剂的有效减水率不够造成混凝土和易性偏差，导致混凝土离淅、泌水、保水性不良，增加收缩值。⑸配合比设计中混凝土膨胀剂掺量选择不当，尤其掺入膨胀剂后混凝土养护不到位，膨胀剂不仅起不到补偿混凝土收缩的功能，反而会增加混凝土的收缩。2.2施工及现场养护原因产生的裂缝⑴混凝土浇筑的匀质性可减少裂纹裂缝的产生，特别是泵送工艺的应用，为保证特大桥梁部重点部位混凝土质量，一方面考虑施工速度等原因外，另一主要原因是尽量保证浇筑混凝土的匀质性。在现场浇筑混凝土时，如振捣或插入不当，漏振、过振或振捣棒抽拔过快，均会影响混凝土的密实性和均匀性，诱导裂缝的产生。⑵大体积混凝土浇筑，对水化热计算误差、现场混凝土降温及保温工作不到位，引起混凝土内部温度过高或内外温差过大，混凝土产生温度裂缝。⑶高空浇筑混凝土，风速过大、烈日暴晒，混凝土收缩值大。⑷对大体积混凝土工程，缺少两次抹面，易产生表面收缩裂缝。⑸现场养护措施不到位，混凝土早期脱水，引起收缩裂缝。⑹现场模板拆除不当或拆模过早引起拆模裂缝。⑺现场预应力张拉不当(超张、偏心)，引起混凝土张拉裂缝。2.3结构应力产生的裂缝⑴块段之间横向裂缝块段之间的横向裂纹，一般是由于块段接茬混凝土的联结强度偏低，或挂3篮下沉量过大造成的，或块段接茬不平顺造成的。①块段接茬混凝土的联结强度偏低，是由于混凝土表面凿毛不彻底，或新浇筑混凝土水分向老混凝土过多扩散水分，产生干裂裂缝。②在混凝土浇筑过程中，挂篮下沉量过大，对已初凝混凝土造成扰动，降低接茬混凝土强度，产生裂缝。③块段接茬不平顺，形成错台现象，形成应力集中部位，产生裂缝。⑵在1/4跨度附近斜向裂缝这种裂缝一般是由于剪应力过大，主拉应力超过混凝土的抗拉强度而造成的，有时也与构造钢筋的布置有关。当荷载增大时，裂缝会逐渐向受压区发展。在开裂严重的情况下，裂缝可能沿腹板贯通。⑶腹板下弯束位置贯通裂缝这种裂纹一般是由于预应力或截面尺寸设计不合理，导致混凝土压应力过大，腹板的抗剪强度偏低造成，有也与施工质量有关。⑷纵向预应力锚下位置纵向贯通裂缝这种裂纹一般是由于预应力设计吨位过大或截面尺寸不合理，锚下混凝土应力过于集中造成的，有时也与施工质量有关。⑸底板纵向预应力齿板位置的腹板斜向裂缝这种裂纹一般是由于设计不合理造成，底板纵向预应力与腹板预应力布置时，形成集中力后的混凝土受拉区应力叠加，形成斜向裂缝。⑹合拢段横向收缩裂缝这种裂缝一般是由于混凝土在边界混凝土约束条件下，混凝土在空气中水化收缩，形成沿块段接茬处的收缩裂纹。3预应力混凝土裂缝的预防和施工控制3.1泵送混凝土产生早期收缩裂缝的的预防和施工控制⑴根据结构的要求选择合适的混凝土强度等级及水泥品种、等级，尽量避免采用早强高水化快的水泥。中平跨京珠高速公路特大桥悬浇箱梁混凝土所选4用的中联牌P.O52.5R水泥物化数据为：C3S含量平均为48％～52％，C3A含量平均为6％～7％,C2S含量平均为21％～27％,其主要矿物成分含量适宜配制连续刚构梁部的混凝土。为保证水泥活性稳定，在有限的场地中力争增加库房面积以增长水泥库存时间，采取通风散热有效降低袋装水泥的温度，限定水泥在现场保存7天以上且其温度降至环境温度附近后方可使用。⑵选用级配优良的砂、石原材料，含泥量符合规范要求,所选用集料的碱活性检测试件膨胀率为0.08％，为非活性集料。⑶积极采用掺合料和混凝土外加剂。掺合料和外加剂目标已作为混凝土的第五、六大组份，可以明显地起到降低水泥用量、降低水化热、改善混凝土的工作性能和降低混凝土成本的作用，但要坚决避免使用早强型外加剂。尤其从生产源头加强外加剂的质量控制，保证外加剂的有效减水成分必须为萘系与氨基磺酸盐复合物且有效减水率达到28%～30%、缓凝成分必须为三聚磷酸钠与聚乙烯醇、引气成分必须为松香热聚物，防止混入其它廉价替代品增加质量隐患。合理掺用外加剂尽量降低水灰比，水灰比越小，混凝土的收缩值越小，相应的收缩应力降低，提高了混凝土的整体抗裂性能。⑷配合比设计人员应深入施工现场，依据施工现场的浇捣工艺、操作水平、构件截面等情况，针对现场的砂、石原材料质量情况及时调整施工配合比，协助现场搞好构件的养护工作。杜绝泥、风化石、山皮等含量超标的地材进场。⑸正确掌握好昆凝土补偿收缩技术的运用方法。对膨胀剂应充发考虑到不同品种、不同掺量所起到的不同膨胀效果。应通过大量的试验确定膨胀剂的最佳掺量。⑹对配合比试配完毕的混凝土进行抗裂性试验，使用红外线、电扇模拟光照、风吹的极限环境下检测水泥混凝土的抗裂性能。3.2施工及现场养护原因产生的裂缝的预防和施工控制⑴浇捣工作：浇捣时，振捣捧要快插慢拔，根据不同的混凝土坍落度正确掌握振捣时间，避免过振或漏振，采用二次振捣技术，以排除泌水、混凝土内5部的水分和气泡。规定在混凝土初凝临近结束终凝到来前进行二次抹面有效降低表面裂缝的产生。⑵混凝土养护：在混凝土裂缝的防治工作中，加强对新浇混凝土的早期养护工作即初凝临近结束时终凝到来前尤为重要，以保证混凝土在早期尽可能少产生收缩。主要是控制好构件的湿润养护，综合各种养护方法的优劣性后采取土工布覆盖撒水的方法进行养护，可以起到保温、防风、防晒的作用，养护时间为14天。⑶混凝土的降温和保温工作：对于大体积混凝土，施工时应充分考虑水泥水化热问题。采取必要的降温措施(埋设散热孔、通水排热等)，避免水化热高峰的集中出现、降低峰值。浇捣成型后，采取必要的蓄水保温措施，表面覆盖薄膜、湿麻袋等进行养护，以防止由于混凝土内外温差过大而引起的温度裂缝。⑷避免在雨中或大风中浇灌混凝土。⑸夏季应注意混凝土的浇捣温度，采用低温人模、低温养护，必要时经试验可采用冰块，以降低混凝土原材料的温度。尽量降低混凝土的入模温度，以期降低混凝土水化速率且使水化能够均匀进行。3.3结构应力产生的裂缝的预防和施工控制⑴块段之间横向裂纹的预防和施工控制①对于块段接茬混凝土联结强度偏低造成的裂缝，首先，在混凝土达到规定强度后进行接茬混凝土表面凿毛，清除浮浆和松散层，增加联结性能；其次，在浇筑新混凝土前，向已浇筑混凝土洒水湿润，减少接茬面混凝土的干湿变化，使接茬处混凝土具有保持较好的保湿性。②对挂篮下沉量过大造成的裂缝，首先，在挂篮的设计阶段，提高挂篮刚度，减小下挠度；其次，在挂篮的使用阶段，挂篮的节点和支撑部位要求受力简单、明确，杜绝在混凝土浇筑过程中发生突然的沉降。③针对块段接茬不平顺造成的裂缝，要控制端头模板平顺，确保混凝土接茬平顺。6⑵在1/4跨度附近斜裂缝的预防和施工控制一般来说，由于连续的混凝土结构存在次内力的再分配问题，施工过程中的影响因素很多，在裂缝出现后要准确找出原因比较困难。在设计时首先合理确定中、边跨比，加强1/4跨度处的剪应力和主拉应力检算，适当增加箍筋的配置数量，对连续结构的竖向预应力筋，要充分考虑有效预应力的作用效果。⑶腹板下弯束位置贯通裂纹的预防和施工控制施工时，在腹板的下弯束端头增加闭合箍筋，增加混凝土的抗剪能力；混凝土的张拉强度要求达到设计强度，同时要求混凝土在张拉时，混凝土的弹性模量达到设计规范要求；重新确定下弯束张拉顺序，由常规的先纵向、后竖向、最后横向的顺序，变为先竖向、后纵向、最后横向的顺序，张拉下弯束前，预先提供部分抗剪力。⑷纵向预应力锚下位置纵向贯通裂纹的预防和施工控制设计时，在布置锚下螺旋钢筋的同时，增加了锚下钢筋网片。施工时，准确安装锚下螺旋钢筋和锚下钢筋网片，同时，锚下混凝土要求振捣密实。锚下混凝土受力最大的时候正是张拉之时，一旦张拉完毕，必须及时进行预留孔道的压浆作业，在孔道浆体的强度形成以后，对钢索固定起不可忽视的作用，也相对降低锚头的负担。⑸底板纵向预应力齿板位置的腹板斜向裂缝预防和施工控制在设计时，腹板下弯束的锚固端和底板纵向预应力锚固端布置时，避免集中力后的混凝土受拉区应力叠加，形成斜向裂缝，同时，增大齿板钢筋的直径，加强底板纵向预应力的锚固性能。⑹合拢段横向收缩裂缝预防和施工控制合拢段横向裂缝是一种收缩裂缝，首先，在合拢段混凝土的浇筑时段选定时确定在一天的最低温度时段，即夜晚的1：00～3：00，随着混凝土的凝固，混凝土出现收缩特性，空气温度升高，对混凝土的收缩进行部分补偿；其次，在合拢段混凝土配置时，掺入适当的微膨胀剂，补偿混凝土硬化过程中的收缩。74结束语《公路桥涵施工技术规范》（JTG/TF50-2011）规定，一般环境下的预应力梁体的裂缝限值为0.1mm，而实际梁体一旦出现了裂缝，多数情况下裂缝的宽度往往超过了限值。即使目前的裂缝对结构受力不会造成影响，单从保证混凝土结构耐久性而言，也必须对其进行预防。大跨度连续箱梁预应力混凝土裂缝是一个复杂的技术问题，涉及设计、施工、材料、气候、运营等方面，要从根本上减少以至消除混凝土裂缝现象，需要各方面的努力和配合。施工单位在混凝土配制和施工、预应力的安装和张拉、挂篮的设计和控制等方面，对裂缝的预防和控制，起到了积极作用。严把原材料关，是保证混凝土质量的关键所在。混凝土配合比的优化设计，也是裂缝的预防和控制的重要环节，尤其要严格控制高标号混凝土的强度、弹性模量、收缩性、水化反应速度等，同时要避免碱骨料反应现象发生。参考文献：[1]《材料力学》，秦惠民主编，武汉大学出版社；[2]《公路桥涵施工技术规范》（JTG/TF50-2011）；[3]《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD61-2004）；[4]《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)。