大跨径波形钢腹板箱梁底板裂缝处治措施

王文辉

（广州建筑工程监理有限公司 广州 510030）

1 项目概况

某特大桥主桥桥跨承重结构采用变截面波形钢腹板预应力混凝土连续箱梁，跨径组合为78 m+130 m+78 m，主梁为分幅式变截面单箱双室截面，主梁结构采用双向预应力体系。箱梁顶板、底板为C55 钢筋混凝土，腹板采用1600 型波纹钢腹板，箱梁高度按2 次抛物线变化，箱梁顶板厚为30 cm；箱梁底板厚按2 次抛物线变化，0#梁段厚度为180 cm，悬浇段底板厚度30～92.9 cm。箱梁中支点单侧10.6 m、边支点3.35 m范围内采用混凝土加厚（钢混凝土组合腹板段），以增加抗剪、抗扭能力，其厚度按直线渐变。根据国内外同类型工程的成功建造经验［1-2］，通过比较传统悬臂浇筑法或异步悬臂浇筑法（RW 工法）的优缺点，结合施工单位经验、成本核算，本次大跨径波形钢腹板PC组合箱梁桥采用传统挂篮悬臂施工方案。0#节段采用预埋件及型钢将主墩及10 根预埋在承台上的DN800 钢管（内填混凝土）临时墩形成支撑体系和临时固结体系。0#节段现浇完成后，安装挂篮设备进行悬浇段的施工［3］。

2 节段梁浇筑过程中底板裂缝的发现及初步处置措施

2.1 节段梁浇筑次序

按照施工方案，悬浇节段从0#段向两端逐一推进，按安装波纹钢腹板➝移动挂篮就位➝调整外模到位➝安装底板、面板钢筋➝安装内模➝浇筑底板、面板➝纵向体内索张拉的次序循环施工。

2.2 节段梁底板裂缝的发现

施工至3#节段梁时，监理人员在日常巡视时发现移篮后2#节段梁梁底有局部不太明显的水痕，判断为养护流水影响，要求施工单位注意养护措施，避免影响外观质量。施工至4#节段梁时，监理人员通过陆续观察发现箱梁底板下缘出现了少量纵向水痕且水痕中出现不明裂纹，遂引起警觉，并组织施工单位采用高空作业车检查梁底。检查发现，节段梁底板的裂纹呈纵向，从新旧节段相接处向新浇段方向呈“八字形”延伸，排列较规则，单条裂纹长度约20～100 cm，裂纹宽度及深度不详，如图1所示。

图1 节段梁底板裂缝Fig.1 Cracks in the Floor of Section Beam

2.3 对节段梁底板裂缝问题的初步排查

通过组织了相关单位确定了裂缝检测方案，选取已完成节段梁底板其中6条长度较长的裂缝（见图2），由第三方检测单位对裂缝进行检测。检测结果表明：裂缝长度为1.60～2.98 m，裂缝宽度为0.12～0.16 mm，裂缝深度为54～90 mm（见表1），属非结构性裂缝。

表1 小里程侧边跨悬浇节段底板裂缝检测结果Tab.1 Detection Results of Cracks in the Bottom Plate from Line Starting Direction Side Span

图2 小里程侧边跨底板裂缝分布（仰视）Fig.2 Crack Distribution of Bottom Plateline from Starting Direction Side Span（Look up）

2.4 对节段梁底板裂缝问题的初步措施

根据检查情况，组织项目建设、设计、施工、监理、健康监测、科研等单位技术人员召开专题会议，共同分析裂缝的成因，研究裂缝防治及初步处理意见。经充分讨论，会议认为底板产生裂缝的主要原因为预应力布置及张拉顺序不合理、挂篮支间点相对变形、箱梁混凝土浇筑内外温差、大体积混凝土水化热效应及混凝土收缩效应等［4］，并提出下列初步处理措施：

⑴根据施工记录及现场判断，主桥节段梁悬浇施工符合设计图纸及相关规范要求。

⑵经过委托第三方检测单位对裂纹进行检测，通过检测数据辅助分析和判断，底板裂缝主要是沿节段梁纵向分布，但在纵向节段梁间未有贯通，均是从新旧浇筑节段梁接缝位置且向悬臂端方向延伸，从而初步判断现有的底板裂纹是非结构性裂缝，与会各方一致同意可以继续施工。

⑶要求施工单位提供挂篮主桁架及钢吊杆等相关力学参数，由设计、科研单位对挂篮设备的受力、变形等进行计算复核。

⑷要求施工单位进一步加强对悬浇梁段混凝土的后期养护措施，尤其是需加强底板底面落模后的养护，尽可能减少内外温差；同时在施工过程中加强对底板裂纹的观察、测量，做好裂纹变化的检查及记录。

⑸加强现场施工管控，进一步提高钢腹板的安装精度，减少可能产生裂纹的内应力。

⑹要求施工单位将下一节段梁作为试验段，在设计单位的指导下，通过在底板设置一定数量的防裂钢筋网，作为下一步抑制裂缝产生的措施，并观察相应的效果。

⑺委托健康监测单位在试验段布设测温点，进行温度监测，并对现有裂缝的发育情况进行监控，将相关记录及时送科研单位进行研究分析。

⑻委托健康监测单位对挂篮三幅主桁吊杆加设监测点，对施工过程中主桁吊杆的应力、伸长量等是否均匀进行监测和对比分析，及时提供监测数据。

3 新浇试验节段梁施工质量控制及效果

根据初步处理措施，安排分别对2 个试验段（1 个在新浇底板靠近新旧底板交接处1/2底板面积设置防裂钢筋网，另1个在全面积设置防裂钢筋网）防裂钢筋网的安装、温控点和应力监测点等进行了检查，对模板、钢筋、预应力及混凝土等检验批严格按设计图纸和施工方案进行验收［5］，对各监测点预埋、混凝土浇筑过程及预应力张拉灌浆进行全过程旁站，并加大对混凝土养护的巡视检查频率。

安排主桥健康监测单位开展专项监测，对试验段混凝土浇筑前后的水化热温度变化和底板挂篮吊杆变形值进行监测。其中温度测量布置如图3所示。

图3 温度测点布置Fig.3 Arrangement of Temperature Monitoring Points（mm）

通过监测发现水化热温度最大值发生浇筑后约22 h，底板水化热温度最大值为69.1 ℃，顶板水化热温度最大值为71.8 ℃，如图4所示；底板挂篮吊杆变形介于1.305～2.346 cm 之间，变形最大值发生在小里程左室近中腹板吊杆，不均匀变形差值最大为1.041 cm。

图4 温度变化曲线Fig.4 Temperature Curve

4 底板开裂成因研究分析及处治意见

根据检测、监测、施工单位分别提供的成果资料，首先对底板挂篮吊杆变形值进行计算分析，结论为：此次混凝土浇筑挂篮吊杆最大变形值为2.346 cm，但由于箱梁宽度较大，混凝土浇筑时间较长（10～12 h），该变形会产生一定影响，但不至于使箱梁底板混凝土产生裂缝，根本原因为该区域主拉应力过大。

为确保施工过程的安全，建立有限元模型［6-7］分析在混凝土水化热下其应力分布状况，分析其造成裂缝的成因。

4.1 有限元模型建立与分析

⑴选取1#梁段布设监测点，采用专业桥梁有限元软件Midas/FEA进行分析，建立实体有限元模型。

⑵在结构温差作用下，对节段梁底板的上缘横向应力、上缘主拉应力、下缘横向应力、下缘主拉应力进行量测。

⑶利用有限元模型分析在顶板、底板浇筑后，在混凝土水化热作用下的结构应力分布。再根据实测资料、已有经验、模型和荷载条件进行分析。数据显示，在水化热作用下，1#梁段底板上缘的横向应力和主拉应力均为压应力，不会产生裂缝；而1#梁段底板下缘的横向应力主要集中在为8～11 MPa，主拉应力大小为9～12 MPa，两者均为拉应力，且方向基本一致；1#梁段底板的下缘主拉应力远远超出了混凝土开裂的应力水平，完全能引起箱梁底板的开裂，其裂缝的发展方向如图5 所示；同时随着箱梁靠近跨中底板厚度的减小，混凝土水化热引起的温度值越低，结构的温度梯度越小，底板的裂缝也随之减少。

图5 有限元分析裂缝发展Fig.5 Finite Element Analysis of Crack Development

4.2 对裂缝性质的判定及治理

4.2.1 裂缝性质的判定

大桥箱梁底板出现的纵向裂缝，属于非结构性裂缝，且裂缝宽度均在0.15 mm左右，裂缝深度最大不超过90 mm 且正好位于钢筋中心位置或表面，长度均不超过各特征悬浇长度，因此认为目前的裂缝不足以影响结构强度，但对其耐久性会产生影响，应该尽快对其进行处理，超过0.1 mm 的裂缝采用壁可法处理，小于0.1 mm的封闭即可。

针对裂缝成因及特点，在后续施工过程中应采取措施减小混凝土水化热，加强箱梁结构混凝土浇筑后的养护工作，严格控制箱梁混凝土内外温度梯度［8-10］。

4.2.2 治理

根据上述设计复核和研究单位的研究结论，及时对现有裂缝进行治理［11］：

⑴对施工单位委托专业分包单位编制并报审的《箱梁裂缝修补施工方案》中“壁可法”、“封闭”施工工艺和101#封口胶、BL-GROUT 注入胶等材料的力学参数进行审查，并提出修改意见：明确对裂缝表面的处理工艺和要求，明确封口胶及灌注胶拌合后的使用时间、温度等参数，明确灌注胶（BL-GROUT）注入压力和保障措施，明确对施工前期准备（包括裂缝的摸查、统计、分析及拟定处理方式）、材料的进场检验及验收、作业所需的辅助设备或设施、施工部署与计划、处理后的检查与验收、质量保证措施的具体要求［12］。

⑵对101#封口胶、BL-GROUT 注入胶等材料进行见证取样、送检，经第三方检测单位检测合格后同意使用。

⑶对修补、封闭过程进行检查、记录。

⑷组织对处治结果进行验收［13］。

5 后续结构施工采取的措施及效果

5.1 后续结构施工采取的措施

针对上述研究的情况，对后续梁段混凝土浇筑采取了以下措施：

⑴组织材料、结构方面的专家进行会诊，提出合理化建议和措施。

⑵组织施工单位对混凝土设计配合比进行了优化和验证。

⑶与预拌混凝土供应商进行协商，对原材料质量进行有效控制。

⑷ 对混凝土生产过程采取数字化质量控制措施，确保混凝土生产配合比符合要求。

⑸严格把控混凝土进场验收，对每车混凝土进场浇筑前进行坍落度、入模温度、拌和物水溶性氯离子含量等进行检测，混凝土入模温度控制在30 ℃以下，确保混凝土质量符合要求。

⑹加强混凝土养护措施。严格按照施工方案要求，安排专人养护混凝土，通过对喷淋、覆盖等养护措施进行监控，最终将混凝土凝结期间的里表温差控制在20 ℃左右且不大于25 ℃。

5.2 新浇筑梁段效果

通过对脱模移篮的新梁段进行跟踪观察，直至主桥最终合拢未发现出现新增裂纹的情况。对体系转换后的整桥进行外观检查，也未发现新增裂纹。

目前该大桥已经过各项实体检测和动静载试验，最终通过了竣工验收并投入使用，运营效果良好。

6 结语

⑴通过本大跨径波形钢腹板PC 组合箱梁施工过程裂缝的检测、原因分析和研究，说明了混凝土箱梁水化热及养护条件等底板温度梯度效应导致的主拉应力方向，与实际裂缝出现的方向一致，这是引起箱梁底板下缘纵向裂缝产生的主要原因，且随着底板厚度的减小，其结构温差效应越不明显，裂缝也随之减少。

⑵及时采用壁可法处理超过0.1 mm的非结构性裂缝及表面封闭小于0.1 mm的裂缝，能减少裂缝对结构耐久性产生的影响且效果较好。

⑶通过控制混凝土原材料质量、入模温度以及控制混凝土凝结期间的里表温差能有效减少甚至避免出现混凝土结构表面裂纹。

⑷建议在类似桥梁施工过程中，除需监督施工单位严格按设计图纸、按施工方案施工外，尤须重视采取预防混凝土结构裂缝的施工措施，并强化节段梁结构表面质量的巡视、检查和验收，对结构性裂缝进行早预防、早发现、早检测、早处治，以保证桥梁安全。