连续刚构桥箱梁裂缝原因与控制措施分析

张久东

（贵州桥梁建设集团有限责任公司,贵州 贵阳 550001）

0 引言

预应力混凝土连续刚构桥具有刚度大、平顺性好、伸缩缝少等优点，得到了较快的发展。但在大量修建此类桥梁后，由于跨径大、预应力体系复杂等问题，箱梁裂缝现象较为常见，开裂部位大多在箱梁的顶板、腹板和底板，降低了桥梁的安全性，使得桥梁的正常使用受到严重的威胁。因此，如何提升工程的施工质量，防止箱梁裂缝现象的产生成为当前连续刚构桥施工中面临的主要问题。

1 连续刚构桥优势与不足

连续刚构桥是墩梁固结的连续梁桥，为桥梁施工中主要的结构组成部分，该施工技术具有材料应用少、成本造价低、工艺简单、性价比高等特点，常被广泛应用于大跨度路桥工程中[1]。当前，随着大吨位锚固构件的应用以及混凝土性能的不断提升，连续刚构桥发展态势良好，为我国交通工程的快速发展奠定了良好的基础。在大量修建这类桥梁后，由于前期施工中的各种原因，导致后期运营过程中出现了种种病害，最突出的就是结构裂缝，裂缝部位大多出现在箱梁，使桥梁使用安全性受到威胁。因此，在连续刚构桥施工中要严格控制施工质量，减少裂缝的产生[2]。

2 连续刚构桥箱梁裂缝原因与控制实例分析

2.1 工程概况

该桥梁位于我国贵州省中部的低山丘陵区。桥梁上部结构采用（32+55+32）m预应力混凝土连续箱梁，全长为182 m。箱顶宽18.4 m，底宽9.4 m，梁高7.3~3.0 m。设计荷载采用公路Ⅰ级，箱梁设计采用C55混凝土，地震烈度Ⅶ度。箱梁顶面设置6 cm钢筋混凝土调平层，其上设置防水层，防水层上设10 cm沥青混凝土面层，铺装层共厚16 cm。该项目2014年6月开始施工，2016年8月通车，施工工艺流程如图1所示。在主桥刚构期间发现箱梁腹板有大量裂缝，部分裂缝闭合。裂缝呈45° 斜向状态，长度在40~280 cm之间，宽度在0.01~0.25 mm之间。

图1 主梁施工工艺流程图

2.2 连续刚构桥箱梁腹板裂缝成因分析

2.2.1 混凝土浇筑

该桥梁项目施工过程中，严格控制施工质量，且混凝土拌和站到主桥施工只有10 min距离，运输混凝土上不存在问题。可能存在问题有：

（1）混凝土浇筑周期过长，先浇筑的混凝土刚开始初凝，上部持续浇筑，不断加载和扰动，使初凝混凝土最后产生裂缝[3]。

（2）在浇筑过程中，由于私自添水，促使混凝土配合比变化，水蒸发后混凝土产生收缩裂缝[4]。

（3）浇筑振捣时间过长，导致混凝土骨料分层，强度不均匀，上层的细骨料易发生收缩裂缝[5-6]。

（4）浇筑振捣时间不足，混凝土强度不均匀，发生收缩裂缝[7]。

2.2.2 预应力张拉

（1）张拉顶板下弯预应力时，腹板内配置钢筋少，预应力钢束强度不够，导致纵向顶板预应力管道定位出现偏差，造成腹板开裂。

（2）桥梁0#块高度原因，采用先纵向后竖向张拉预应力的分段施工，在腹板预应力筋处出现水平裂缝。

（3）前期桥梁0#~1#块预应力张拉龄期不够，导致混凝土强度和弹性模量不足，在预应力锚固端处，由于混凝土的收缩徐变导致斜向裂缝。

（4）桥梁0#~1#块出现腹板斜裂缝后，推断塑料波纹管是造成主拉应力变大的原因。在实际施工过程中，塑料波纹管外径大、管壁薄，并且在浇筑过程中已变形，无法达到设计的混凝土保护层厚度，管道处的应力集中，混凝土会在主拉应力作用下发生与管道平行的开裂，尽管目前采用真空压浆工艺，无法达到100%的效果。

2.2.3 后期养护

混凝土浇筑后，在气候炎热的天气下养护不及时，会使混凝土中水分快速蒸发，导致水泥颗粒不能充分水化，缺乏足够的黏结力，发生脱粉现象。另外，混凝土水分过早的蒸发，无法使混凝土转化为稳定的结晶，产生较大的收缩变形，出现干缩裂纹[8]。

2.3 连续刚构桥箱梁腹板裂缝控制措施

2.3.1 提高混凝土浇筑质量

针对该项目的悬臂施工特点，采取以下措施控制混凝土裂缝问题。

（1）为了确保模板不变形，采用钢模板，并且定期检查、更换、加密模板肋等，如发现有问题的模板应立即处理。

（2）挂篮变形过大会导致浇筑段混凝土的变形也大，因此，挂篮的变形控制应按照《公路桥涵施工技术规范》（JTGTF—2011）规定，挂篮的最大变形应不大于20 mm。在混凝土浇筑过程中，如果该块段混凝土浇筑时间超过混凝土的初凝时间，底板已浇筑混凝土接缝位置容易变形，产生裂缝，如图2所示。

图2 浇筑块段变形示意图

（3）浇筑箱梁采用分层连续浇筑法，不采用推移式连续浇筑法，分层连续浇筑法与推移式连续浇筑法施工示意图如图3~4所示，浇筑顺序为按照数字从小到大顺序进行。

图3 分层连续浇筑法

图4 推移式连续浇筑法

分层连续浇筑便于振捣，并且有利于降低大体积混凝土浇筑块的温升。在分层连续浇筑法过程中，应严格控制悬臂两端对称浇筑，按照《公路桥涵施工技术规范》（JTGTF—2011）规定，悬臂不平衡荷载差值应控制在块段重量的1/4之内，如果不平衡荷载过大，会造成0#块产生不平衡弯矩，与主墩连接处开裂。另外，浇筑尽量缩短间隔时间，在前层混凝土初凝之前，将其次层混凝土浇筑完毕，防止因间隔时间过长产生“冷缝”。层间间隔时间按照《钢筋混凝土工程施工及验收规范》（GBJ204—83）规定，以贯入阻力值为3.5 MPa时为混凝土的初凝时间为准。特殊情况下，层面间隔时间超时可按施工缝处理。浇筑时，先浇筑外侧的混凝土，使挂篮产生弹性变形，降低节段接缝后浇筑混凝土二次扰动产生的裂缝，浇筑示意图如图5所示。

图5 悬臂施工混凝土浇筑示意图

（4）混凝土配合比首先要考虑水泥的水化热，水泥水化作用会产生大量的热量，使混凝土内部的温度升高，造成大体积混凝土表面产生温度应力，使正在凝结硬化的混凝土产生裂缝，因此水泥首选矿渣水泥，并在合理的范围内掺入粉煤灰。此外，为了降低水化热，选择缓凝高效减水剂，推迟温峰的出现。该连续刚构桥项目要严格检查水温以及水冷机组，确保入模温度低于30 ℃。由于桥梁悬臂较长，温度变化造成的标高变化比较大，在竖向温度梯度与横向温度梯度的作用下，会产生较大结构性偏差。对于该桥梁的每一块段立模，均应该考虑温度效应，在第i+1块段进行立模时，应考虑温度效应对于第i块段产生向下的挠度fT，如果不考虑温度效应，则会在接缝处产生一个fT的凸起，发生局部应力过大，出现裂缝问题，温度效应影响立模标高如图6所示。

图6 温度效应影响立模标高示意图

（5）重视混凝土的振捣质量，加大浇筑现场施工人员的投入，快速完成振捣工作，起到密实混凝土、增加混凝土强度等作用，同时排除混凝土中大量的空气，避免蜂窝麻面出现和降低混凝土的开裂，确保混凝土在6~7 h内完成浇筑。混凝土振捣使用插入式振捣器，振捣器距离模板不宜太近，不应大于振捣器作用半径的0.5倍，避免碰撞钢筋、芯管、吊环、预埋件等。开窗位置选择在内模1/3、2/3高度处，在腹板预应力筋上方附近，便于预应力筋的混凝土振捣。开四个振捣孔，每一插点振捣时间20~30 s，至混凝土不显著下沉，停止振捣。

2.3.2 预应力张拉控制措施

根据材料力学原理，弹性模量越小产生的变形越大，预应力张拉龄期越早，混凝土的徐变系数终值越大，弹性模量越小，后期的下挠越大。对于悬臂浇筑法的连续刚构桥，加载龄期过早在锚固区施加预应力会引起局部混凝土徐变，使得锚头后面混凝土产生拉应力，如果受拉区钢束配筋不足，容易在锚固区产生裂缝，同时张拉后的悬臂两端发生起拱现象。根据混凝土抗压强度的发展规律公式看出，混凝土龄期7天时，设计强度达不到要求，因此，预应力张拉龄期不得过早，一般不得小于7天。

式中，s——水泥类型系数，高强快硬水泥取0.20，普通水泥取0.25，慢硬水泥取0.38。

2.3.3 混凝土养护控制措施

混凝土浇捣后，在水化作用下逐渐凝结硬化，为了保证混凝土有适宜的温度和湿度条件，必须对混凝土进行养护。

（1）及时对浇筑完成后的混凝土进行养生，箱梁内外采用长度为覆盖两个节段的管喷淋养生，同时做好养生过程中的混凝土温度变化记录。

（2）箱梁混凝土脱模时间必须严格控制，不得过早，遇到昼夜温差大时，应做好相应措施。

（3）在箱梁悬臂浇筑完成后，腹板内外侧和箱室两端口做好保温措施。

（4）每周对裂缝进行一次观测记录，不断观察裂缝情况。

3 结论

我国连续刚构桥施工日趋成熟，连续刚构桥箱梁裂缝对工程质量影响极大，箱梁裂缝的产生是各种因素综合作用的产物。为了有效防止裂缝的产生，应根据裂缝的具体原因采取控制措施，确保工程的结构稳定性，提升工程的使用寿命。通过上述研究得出：

（1）采用模板和挂篮控制、分层连续浇筑、配合比优化和加强振捣管理等措施，可以提高混凝土浇筑质量，减小箱梁裂缝的发生。

（2）严格控制预应力张拉龄期不得小于7天，使混凝土有足够的强度，避免张拉后箱梁腹板产生裂缝。

（3）控制混凝土养护过程中的湿度和温度，并且做好保温措施，可以避免混凝土初凝及终凝过程中产生的温度裂缝及表面干缩裂缝。