铁路连续梁桥施工期防裂技术研究

关进喜 沈前进

摘要 为了对铁路混凝土梁桥在施工期的防裂技术进行研究，文章以沪通铁路悬浇混凝土连续梁桥为依托，分别从混凝土材料及配合比、悬臂施工工艺、施工期水化温度控制及预应力控制开裂等角度对防裂措施进行了分析。研究表明，混凝土配合比设计时应从力学性能和工作性能综合考虑，尽量降低水化热和混凝土收缩量，悬臂施工过程应采用合理的浇筑顺序，细化振捣顺序并加强养生。在施工过程中，应降低入模温度和加强表面防护，以避免出现温度开裂；应及时进行混凝土张拉，有效控制混凝土箱梁桥的开裂。

关键词 铁路混凝土连续梁；防裂技术；水化温度；施工工艺

中图分类号 U445.57文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）23-0101-04

0 引言

混凝土梁桥具有良好的承载能力，在公路及铁路领域中均得到了广泛应用，随着工程实践的不断开展，混凝土梁桥的开裂逐渐引起工程师们的关注，如何防止混凝土桥梁开裂是现代桥梁建造的关键问题之一^[1-2]。

在各种原因作用下，当混凝土产生的拉应力大于材料自身抗拉强度时，结构就会产生开裂。尤其是混凝土强度较高时，由于水泥用量较大，其早期的强度发展快，前期的变形较明显。同时早期弹性模量发展较快，导致混凝土的水化变形等应变不能充分释放，而出现明显的约束应力，这种约束应力易引起混凝土开裂，因此开裂时间反而提前且开裂程度更严重，这就是典型的早龄期开裂现象^[3]。

导致混凝土出现开裂的因素众多，常见的影响因素主要包括：荷载作用引起的结构应力、混凝土收缩引起的收縮应力、混凝土水化热引起的温度应力、环境气温变化引起的温度应力等。国内外学者在这几个方面均做了大量研究，目前认为引起混凝土施工期开裂的主要原因包括临时荷载、混凝土收缩、水化温度、施工工艺、养护不佳等因素^[4-5]。

为了研究铁路混凝土梁桥在施工期的防裂技术，以沪通铁路悬浇混凝土连续梁桥为依托，从材料、工艺、水化热控制、预应力控制等角度对施工期防裂技术进行了研究与分析。

1 工程概述

1.1 桥梁结构特点

依托工程为新建上海至南通铁路太仓至四团段人民塘装卸线特大桥的231#～234#墩悬浇梁桥，属于时速80 km的有砟轨道桥梁，大桥跨越洲海路，桥梁结构为48 m+80 m+48 m悬浇施工预应力混凝土连续梁桥，主梁采用C50混凝土。

主梁采用单箱单室结构形式，箱梁顶面宽7.1 m，箱梁底面宽4.2 m。箱梁采用变高度形式，支点梁高为6.645 m，跨中梁高为3.845 m，梁高采用二次抛物线渐变计算。箱梁顶板厚为0.38 m，底板厚度为0.47～0.8 m，腹板厚度为0.45～0.9 m。跨中主梁标准断面如图1所示。

1.2 施工工艺流程

大桥采用对称挂篮悬臂浇筑法进行施工，全桥共分为10组悬臂施工块段，1组合龙节段，2个墩顶块段。

施工时先进行下部结构施工，在桥墩施工完成后搭设支架完成墩顶0#块施工，后进行挂篮安装，利用悬臂挂篮对称进行悬臂施工。悬臂施工过程中待悬臂浇筑的混凝土节段强度达到强度设计值95%，弹性模量达到设计值的100%后进行该节段范围内预应力的安装与张拉并进行灌浆，再进行挂篮前移，依次完成主梁悬臂节段施工。边跨及中跨的跨中合龙施工采用合龙吊架进行合龙。

2 基于材料性能与工艺的防裂技术研究

2.1 基于配合比优化的防裂技术

通过对混凝土原材料的改善和配合比的优化，可以调整混凝土的力学性能和工作性能，配合比优化的主要目的是在满足工作性能的同时拥有更强的抗裂能力。具体的目标包括降低混凝土的绝热温升系数、增加抗拉强度、减小收缩系数等。

在设计悬臂施工主梁的配合比时，首先要考虑的问题是尽可能减少水泥的总发热量，从而降低混凝土的内部最高温度。工程实践与研究表明，混凝土构件施工期出现开裂的因素中，混凝土的水化温度占有主要成分。因为混凝土导热能力比较差，在混凝土强度发展过程会释放大量的热量，这种热量不能及时散发，产生内部温度升高，但表面温度会受环境温度影响，从而产生温度梯度导致结构出现温度应力。因此，在材料选用时应选择水化热量较小的水泥，如火山灰质硅酸盐水泥等。在混凝土满足设计强度和耐久性的情况下，尽可能把水泥用量降低，水泥用量应控制在260～300 kg/m³之间^[6]。

为提高混凝土箱梁0#块等厚板区域的抗力性能，在配合比设计时应该注意以下几方面：

（1）对墩顶段等体积较大的节段，在配合比设计时应优先选用低水化热的胶凝材料，并在满足强度要求的前提下，尽量降低水泥用量。可根据强度要求选择合理的胶凝剂参料。

（2）外加剂的选用应该优选聚羧酸类缓凝减水剂，同时兼顾引气、减水、缓凝等性能要求。缓凝剂延缓了水化最高温度的到来，有利于水化温度的释放，可降低早期应力。

（3）混凝土塌落度控制，在满足施工流动性要求的前提下，应尽量减小混凝土的塌落度，塌落度越小混凝土的收缩变形越小，可显著控制干缩裂缝的出现。

（4）选用级配良好、低热膨胀系数、低吸水率、体积稳定性好的优质骨料，可减小混凝土的收缩变形，对干缩裂缝的控制有利。

2.2 基于施工工艺的防裂技术

混凝土梁在悬臂施工过程中，随着混凝土的浇筑挂篮结构在混凝土湿重的作用下会出现结构变形。在结构变形过程中，如果现浇混凝土在初凝后挂篮仍出现变形，易导致新老混凝土交界面位置出现施工裂缝。因此在悬臂浇筑的过程中应采用合理的浇筑顺序进行施工，对混凝土抗裂性起到有效的防控效果。

合理的浇筑顺序应该从挂篮前端向根部浇筑，断面的浇筑顺序应左右对称，如图2所示。先进行底板浇筑，浇筑至倒角位置，后进行腹板与顶板浇筑，在浇筑过程中均应对称操作。其中底板和腹板底部位置浇筑时应采用下料串桶进行施工，避免混凝土离析。浇筑完成后及时进行底板上缘混凝土收面，在混凝土初凝前进行二次收面，有利于避免表面龟裂。

顶板混凝土较薄，面积较大，浇筑顺序应先中间后两边。浇筑完后应及时收面，在初凝前进行二次收面。在混凝土初凝后应将顶面养生，避免因失水产生龟裂。

此外，在混凝土初凝前可对混凝土进行二次振捣，也可有效防止其内部出现气泡与孔隙，可大幅提升混凝土和钢筋间的黏合程度，降低其内部的裂缝宽度，可有效提升混凝土抗拉强度约10%～20%，进而提升混凝土抵抗裂缝的能力。

3 基于水化温度的防裂技术

3.1 水化温度对开裂影响机理分析

由于混凝土结构的表面与环境热交换，导致混凝土表面的温度和内部温度不同步。内部温度和混凝表面温度的温差过大时，由于温度带来纤维的变形不一致，会产生温度应力。这种温度应力与混凝土的温度场分布相关，而温度场的分布特点则由混凝土在施工过程中水化温度的变化及散热变化所引起。因此施工期水化温度的变化可能会出现明显的温度应力，甚至会出现温度裂缝。以依托桥梁工程的0#块为例，在施工过程中如果不采取任何控制措施，横隔板内最高温的变化如图3所示，最高温度可达到66 ℃，会产生明显的温度应力。

根据有限元计算，以1#块为例，由于水化温度引起的应力分布如图4所示，由于混凝土水化热的作用，腹板内剖面的主拉应力基本在?0.29～1.96 MPa之间，两侧外表面的主拉应力基本在?0.08～1.54 MPa之间，最大的拉应力达到1.96 MPa，达到混凝土材料的抗拉强度标准值2.74 MPa的71%，叠加收缩等其他不利因素出现开裂的风险极高。

3.2 降低入模温度措施

入模温度是影响水化应力的重要因素，基于温度的抗裂措施首先应该从控制入模温度开始。入模温度取决于混凝土拌和材料温度，一般拌和水是决定拌和温度的主要材料，为了合理控制入模温度，需要对拌和水的温度进行控制。在夏季施工时，为了充分降低混凝土的入模温度，可采用冷却拌和水或在拌和水中加冰的方式降低拌和水温度。

目前工程实践中，较为成熟的加冰拌和水的方法有两种方法：

（1）为预制碎冰法，及预先进行制冰形成大块冰块，然后将冰块进行破碎，破碎成2～5 cm的小冰块后加入混凝土拌和机。实践与试验研究表明，2～5 cm粒径的冰片在拌和的过程中可以全部融化，不会对混凝土密实性带来影响。

（2）另一种方法为工地直接制冰法，这种工艺是利用现场制冰机直接制成管状或片状冰，加入拌和机进行拌和。这种制冰方法的特点是设备占地面积小，制成的冰片可以直接进入拌和楼施工。

此外夏季施工时，若气温较高，应选择夜间拌和与浇筑，通过料仓的封闭管理，充分利用气温变化改变骨料温度，选择骨料温度较低的时间段进行混凝土拌和。

3.3 表面防护措施

混凝土的水化温度会使箱梁内部混凝土温度较高，在拆模后混凝土表面温度降低，然而混凝土中心温度仍保持较高，会出现明显的不均匀温度场，产生明显的温度应力。此时混凝土自身的抗拉强度相对较低，对裂缝的抵抗能力较弱，如温度梯度过大，极易产生开裂。因此，在气温条件不佳的情况，需要在混凝土表面进行主动干预，利用保温材料对混凝土表面进行保温，提高表面温度，减少混凝土的内外温差，从而达到混凝土早期抗裂的作用。尤其在低温度的冬季或者气温容易变化的春秋季节，表面温度容易受到气温的影响，从而造成温度裂缝。利用保温材料使新浇筑的混凝土表面温度不容易散失在空气中，减少混凝土的内外温差，是有效控制温度的一种方法。

为了提升早期抗力性，可以适当延长悬臂混凝土箱梁带模养生时间，延迟拆模，降低拆模时的内外温差。此外模板及保温层的拆除采用分层拆除也对温度性抗裂也有改善。

4 基于预应力控制的防裂技术

4.1 预应力对裂缝限制的机理

混凝土的抗拉性能较差，极限抗拉强度大约仅为极限抗压强度的1/10，抗拉极限应变只有0.1×10^?3～0.15×10^?3。当构件中混凝土受拉开裂时，受拉钢筋的应力约在20～40 MPa，钢筋的应力水平较低，对裂缝限制效果有限。

预应力会使混凝土从原先抗拉弱、抗压强的脆性材料，变为一种既能抗压又能抗拉的弹性材料。预应力筋产生的预加力通过自平衡的方式对混凝土结构施加压（拉）的作用，预应力施加在混凝土中，会为混凝土提供压应变，混凝土在承受拉应变时会先抵消储备的压应变，而后才会出现拉应变，因此可以让混凝土材料变成可以承受拉荷载的弹性材料。根据力的叠加原理，当混凝土结构受热膨胀发生变形时，预应力起到约束膨胀的作用；当混凝土结构受冷收缩时，预应力产生的预压应力可减小或抵消混凝土收缩产生的拉应力，限制混凝土裂缝的出现与发展。因此在施工过程中合理控制预应力施工，对混凝土的抗裂性有明显幫助。

4.2 预应力施工控制措施

为了确保预应力钢筋在张拉阶段满足张拉控制应力设计要求，在实际张拉施工阶段常使用张拉力与钢束伸长量双重控制的方法对预应力钢束的张拉效果进行张拉控制。预应力钢束张拉力由千斤顶油压表可以直接读取，钢束实际伸长值也可由直尺进行测量，确保实际伸长量满足相应的设计要求。当设计没有要求时，理论伸长量与实际伸长量之间的误差不应超过6%，否则应停止张拉并查找原因。

直线型布束的预应力钢束由于孔道摩擦阻力较小，采用单端张拉。布置形式有平弯或竖弯的曲线布束的预应力钢束孔道摩擦阻力，因而大多采用两端张拉。对于长度超过25 m的直线型预应力筋也需采用两端张拉的方式。当钢绞线较长时，可采用2次低荷载调整的方法进行改善，增加钢绞线的均匀性，确保预应力的有效施加。

5 结束语

结合上海至南通铁路太仓至四团段人民塘装卸线特大桥，对铁路混凝土连续梁桥施工期混凝土防裂技术进行了研究，得出以下主要结论：

（1）混凝土材料和配合比是影响混凝土桥梁施工期抗裂的因素之一，在混凝土配合比设计时应从力学性能和工作性能综合考虑，尽量降低水化热和混凝土收缩量。

（2）悬臂施工过程应采用合理的浇筑顺序，细化振捣顺序并加强养生，提高混凝土的抗裂性能。

（3）水化温度是影响混凝土施工期开裂的关键因素之一，在施工过程中应通过降低入模温度和加强表面防护的方式，避免出现温度开裂。

（4）预应力是限制混凝土裂缝的主要措施，在混凝土施工过程中应及时进行混凝土张拉，施工过程中需要加强对预应力张拉应力的控制。

参考文献

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[3]加巴次称. 支架现浇混凝土梁桥早期抗裂性分析及其承载能力计算方法研究[D]. 昆明：云南大学， 2022.

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[6]张巍. 预应力混凝土梁桥施工裂缝的研究及处理[J]. 太原理工大学学报， 2000（2）： 170-174.

收稿日期：2023-10-11

作者简介：关进喜（1994—），男，本科，助理工程师，研究方向：铁路工程。