64 m 等高简支预应力混凝土箱梁施工裂缝控制

2012-03-10周伟

山西建筑 2012年26期

周伟

(中铁大桥股份有限公司，湖北武汉 430050)

目前国内铁路常使用的简支箱梁梁跨为32 m，24 m，对于跨度为64 m的结构一般采用变高度预应力连续梁结构，安庆长江铁路大桥所用64 m跨等高简支预应力混凝土箱梁属于大跨度简支箱梁，对施工质量具有较高要求。在施工过程中为防止梁体混凝土产生裂纹，从而影响箱梁混凝土结构的安全性和耐久性，需对混凝土简支箱梁的裂纹成因进行分析，并在施工中制定预防控制措施和处理方法。

1 工程概述

宁安铁路安庆长江铁路大桥正桥为(101.5+188.5+580+ 217.5+159.5+116)m双塔钢桁梁斜拉桥，全桥长2 996.8 m，是南京至安庆铁路和阜阳至景德镇铁路的重要组成部分，非通航孔正桥W01号～W07号墩采用6孔跨径64 m预应力混凝土简支箱梁。

安庆长江大桥非通航孔正桥64 m等高简支预应力混凝土箱梁为单箱单室直腹板截面，桥梁中心线处梁高5.5 m，箱梁顶板宽12.2 m，双向设2%的横坡，底板宽6.4 m，腹板为直腹板，箱梁断面见图1。混凝土强度等级采用C50混凝土。

图1 64 m简支等高预应力混凝土箱梁断面图

64 m简支等高预应力混凝土箱梁采用原位支架现浇法施工。临时支撑支柱结构为钢管桩，桩上承重梁为贝雷片桁架，具体布置见图2。

图2 64 m简支等高预应力混凝土箱梁施工布置图

2 预应力混凝土箱梁裂缝成因分析

混凝土结构在具有抗压极限强度高的同时，也具有抗拉强度低、受拉时抗变形能力小、容易开裂等缺点。混凝土收缩、温度变化以及构造物约束条件等因素都会使结构内发生拉应力，是产生裂纹的主要成因。混凝土结构上的裂缝对结构尤其是预应力混凝土结构的受力及整体稳定性、耐久性、防水性产生不利影响，如果不能控制裂缝的发展会危及混凝土结构的使用功能和使用寿命。

2.1 混凝土收缩引起的裂纹

施工过程中，最易出现的是因混凝土收缩产生的裂纹。随着混凝土硬化，水分不断蒸发，湿度不断降低，造成混凝土总体积不断减少，称为干缩。干缩过程中，混凝土表面水分蒸发快，内部水分蒸发慢，使表面收缩变形受到内部混凝土的约束，表面混凝土出现拉力，当拉力超过表面混凝土抗拉强度时，产生收缩裂纹。

2.2 温度变化产生的裂纹

2.2.1 水泥水化热引起的裂纹

水泥的水化热会导致混凝土结构温度上升，由于结构的外形与导热条件不一致，使混凝土内产生温度梯度场。混凝土结构会因温度梯度场的变化产生相应的温度变形，因混凝土硬化后对结构内的相对变形有约束作用，从而产生拉应力，当这种温度拉应力超过混凝土的抗拉强度时，便会出现温度裂纹。

2.2.2 外界气温变化引起的裂纹

外界温度出现骤降时，由于环境温度对表面混凝土影响快，对内部混凝土影响慢，使混凝土结构内外产生温度差，当与水化热的影响叠加时，易使混凝土表面出现温度裂纹。

2.3 构造物约束条件引起的裂纹

混凝土结构在施工过程中，必然受到一定的约束，阻碍其自由变形，为构造物提供支撑。易使预应力混凝土梁体产生裂纹的约束包括梁段模板、临时支撑等。混凝土结构拆模前，模板对混凝土有约束作用，能与表面混凝土共同受力，增强表面混凝土抵抗拉应力能力，若拆模较早，所受拉应力超过混凝土抗拉强度时，即产生裂纹。

梁段施工过程中，临时支撑(如钢管桩)不均匀沉降过大，必然导致梁体产生较大支点反力或弯矩，产生裂纹;因本梁混凝土方量较大，在下部混凝土硬化后，上部混凝土还需不断加载，如果下部混凝土与支架梁受弯变形过大，会使梁体应力增大，产生较大拉应力。因此临时支撑形成的裂纹是因受力变形产生，是结构性的。

3 混凝土裂缝的预防措施

针对预应力混凝土箱梁裂缝产生的各种因素，结合64 m等高简支预应力混凝土箱梁施工方法，制定了各项混凝土裂缝的预防措施。

3.1 合理选择混凝土原材料及配合比

选用水化热较低的矿渣硅酸盐水泥，降低水化热的产生;选用强度高、级配合格的碎石，采用细度模数为2.7的中砂，在保证混凝土施工性能与质量的前提下，使水泥用量降低，降低发热量;应用“双掺技术”，掺入粉煤灰取代部分水泥浆，降低水化热、减小体积收缩，掺入矿粉延缓水泥水化;掺用高效减水剂，延缓水化热峰值出现的时间，降低混凝土内温度梯度的差值。

3.2 有效控制混凝土入模温度

夏季气温高，主要通过降低混凝土原材料温度和控制浇筑时机两个手段，保证混凝土的入模温度在30℃以内。对水泥、砂、石的储料仓、料堆进行遮阳处理，在搅拌混凝土的用水中加入碎冰来达到降温效果。施工时尽量选择在气温较低的夜间进行混凝土的浇筑。冬季施工时，混凝土入模温度应控制在5℃以上，可采用对拌合水或原材料加热的措施来提高混凝土的入模温度。

3.3 施工结构措施

64 m简支等高预应力混凝土箱梁采用钢管支架法施工。混凝土浇筑过程中，临时支撑(钢管桩)的不均匀沉降会使箱梁梁体出现不按照施工设计的结构形式受力的情况，当不均匀沉降较大时，引起局部临时支撑支点处混凝土开裂。

为预防临时支撑出现不均匀沉降而引起裂纹的情况，采取的措施主要有以下两种：一种是钢管桩施工控制，在钢管桩施工时，选择贯入度和标高“双控”技术，由于钢管桩设计为摩擦桩，施工时以标高控制为主，贯入度作为校核，最终10击平均贯入度不大于5 mm;一种是支架预压，支架预压采用1.25倍梁体荷载，预压时间为3 d。支架预压既检查了结构整体稳定性，又对钢管桩的不均匀沉降进行了检验。预压前在钢管桩上做好标记，预压过程中记录下各钢管桩的沉降量，绘出沉降与时间关系图，避免不均匀沉降超标。

3.4 合理选择拆模时间

模板可协同表面混凝土受力，且混凝土硬化前期对湿度变化较敏感，拆除外模过早，水分损失加快，而表面混凝土的抗拉性能不高，易导致混凝土产生收缩裂纹。另外，拆模时混凝土的温度不宜过高，以免混凝土接触空气后表面降温过快而开裂，拆模时外界环境温度不应小于0℃，外界环境与混凝土表面、混凝土芯部与混凝土表面温度差不应大于15℃，当遇到大风或气温急剧变化的天气也不应拆模。

3.5 预张拉预应力束预防裂缝

预应力对防止出现混凝土裂缝和防止裂纹进一步扩展有着非常重要的作用，特别是对于跨度较大的现浇梁体结构，作用更加明显。

预张拉预应力束包括腹板6束(腹板共14束)和底板2束(底板共20束)。预张拉时箱梁混凝土强度按箱梁同条件养护试件强度达到设计值的40%控制，弹性模量不小于2×104MPa，张拉控制应力按箱梁设计索应力的30%控制。张拉前腹板模板上全部拉杆应松开，预张拉顺序由中间向上下、从腹板到底板的顺序，左右对称进行。