连续刚构桥0#块早期裂缝成因及防治措施探讨

楼介翔,刘艳莉

(云南省公路科学技术研究院,云南昆明 650051)

连续刚构桥0#块早期裂缝成因及防治措施探讨

楼介翔,刘艳莉

(云南省公路科学技术研究院,云南昆明 650051)

结合工程实例，介绍了连续刚构桥0#块早期裂缝成因，并提出防治措施,有关经验可供相关专业人员参考。

连续刚构；0#块；裂缝；成因；防治

0 引言

随着近年来高速公路建设的发展，连续刚构桥以其独特的结构特点和适用性在云南山区高速路建设中得到广泛运用,其设计理论及施工技术已取得很大提高。但在桥梁施工过程中，混凝土出现早期裂缝是通病，特别是箱梁0#块腹板上的早期裂缝，经常困扰着桥梁工程施工技术人员。一旦出现裂缝,在荷载、物理及化学作用下,裂缝不断发展,引起结构强度及刚度的削弱,导致耐久性降低甚至发生垮塌事故,必须加以重视。

1 连续刚构桥早期裂缝类型及成因

混凝土结构裂缝的成因复杂且繁多， 混凝土是一种脆性材料,抗拉强度只有抗压强度的1/10左右,由于原材料不均匀,水灰比不稳定,浇捣过程中的分离现象,而在同一混凝土构件中,抗拉能力又是不均匀的,所以极易出现开裂,而一条裂缝的产生往往是多种因素相互影响的结果。混凝土桥梁裂缝的种类，就其产生的原因，大致可划分如下几种。

1.1 设计理论

从设计理论角度认为，目前预应力混凝土箱梁开裂问题与在设计时采用平面单元不能考虑箱梁的实际空间效应、配索方式不合理以及对竖向预应力损失估计不足有关。

1.2 材料性能

从混凝土材料分析，认为是混凝土的配合比、收缩徐变等设计取值与实际不符引起的裂缝。混凝土主要由水泥、砂、骨料、拌和水及外加剂组成。配置混凝土所采用材料质量不合格，可能导致结构出现裂缝。如因水泥质量不稳定或不同质量的水泥混打，使混凝土的强度形成不均，后凝结的混凝土破坏已硬化的混凝土,砂、石骨料质量不高导致水泥和拌和水用量加大，使混凝土收缩加大。混凝土拌合水中有约20%的水分是水泥水化必须的,其余80%左右都会蒸发掉,从而引起混凝土失水体积收缩(干缩),此外,水泥水化硬化形成水泥骨架,不断紧缩也会导致体积收缩(凝缩),这两部分构成了混凝土收缩变形,收缩值大小不仅与水泥用量,骨料级配,水灰比大小有关,而且与混凝土的养护也有关系,在收缩中干缩起主导作用。构件由于内外温差大,表面水分蒸发过快,表面干缩变形大于内部干缩变形,形成内外干缩变形差而形成裂缝［1］。

1.3 施工质量

从施工角度来看，认为是施工质量不合格,施工过程不规范引起结构开裂。如混凝土结构浇筑、拆模等施工过程工艺不合理， 混凝土强度形成前钢筋受到挠动,使结构断面受损、混凝土质量降低，支架不均匀沉降，过早拆除模板等都会引起混凝土早期开裂；以及预应力张拉过早、预应力张拉控制达不到设计要求，预应力孔道压浆不饱满、竖向预应力损失过大等施工质量问题引起开裂。

1.4 温度荷载

一般而言,由于温度变形受到的约束而在混凝土结构中引起的温度应力常常比外荷载引起的应力大,而温度变形对结构影响最大的是体积变形,当温度变形呈收缩状态,而且受到自身或外部约束所产生的温度应力超过了允许抗拉强度时,混凝土就会产生温度裂缝。

面板的变温荷载,一般早期是以梯度温差和非线性变温荷载为主,后期以均匀变温为主,当浇筑完成后,水化散热,由于混凝土导热性较差,往往会导致内部温度以及温度梯度变化不均匀,而在横向和竖向温度梯度荷载共同作用下混凝土箱梁内表面拉应力高达2-3 MPa，因此按照原公路规范规定的温度荷载设计时，很容易由于忽略了温度梯度荷载效应而导致混凝土开裂事故的发生［2］。

2 西游洞特大桥0#块早期裂缝成因分析

2.1 工程概况及现阶段问题

云南武昆高速公路第 11 合同段西游洞特大桥跨越深沟,毗邻西游洞风景区,是武昆项目的控制性工程。西游洞特大桥为预应力混凝土连续刚构桥,左右幅桥跨径布置均为88 m+160 m+88 m,左幅平面位于直线段,立面位于 2.78%的纵坡上,右幅平面位于直线和缓和曲线段上,立面纵坡2.80%。单幅上部结构箱梁为单箱单室,顶板宽13 m,底板宽7 m；根部梁高10 m,跨中梁高3.5m,梁高按1.6次抛物线变化；顶板厚30 cm；腹板厚度50～70 cm；底板厚度由跨中的32 cm 按1.6次抛物线变化到梁根的1.2 m。 0#块顶板60 cm,腹板厚1.0 m,底板厚 1.4 m,设 4 道横隔板,每墩2 道,每道厚50 cm。箱梁采用纵竖双向预应力体系,下部结构采用钢筋混凝土双薄壁空心墩,单壁尺寸7×2.5 m,墩内缘净距6 m,钻孔群桩基础。上部结构箱梁采用 C55 混凝土悬臂浇筑施工,下部薄壁墩采用C50 混凝土翻模施工。

西游洞特大桥双幅4个T的0#块和1#块在浇筑完成后的检测中发现各类裂缝问题,其主要特征为：

(1)梁段腹板(扣除倒角,腹板净高7.0 m)内外侧均发现多条竖向裂缝,长度1.3～6.8 m,裂缝宽度0.1～0.4 mm,深度3.5～30 cm。

(2)竖向裂缝多由底板与腹板倒角的顶部开始竖直向上延伸,在1.0～2.0 m的较短范围内,快速变宽变深到最大值,然后向上逐步变窄变浅。

(3)竖向裂缝多集中在0#块箱内腹板上,分布较为均匀间距约 1.5 m,每个腹板有裂缝5条左右,箱外腹板有同样的竖向裂缝,但条数、长度明显少于箱内。裂缝尚无明显贯通腹板厚度迹象。

(4)底板裂缝为纵向裂缝分布在0#块和1#块底板的箱外缘,大致在板中的位置。裂缝宽度大于0.2 mm,且发现有渗水和结晶。

(5)顶板裂缝为横向裂缝分布在0#块箱内顶板,典型地为2条贯穿梁宽的裂缝,裂缝宽度大于0.2 mm,起止于腹板与顶板倒角的底部。

(6)墩顶横隔板人孔倒角处发射状裂缝［3］。

2.2 混凝土水化热应力分析

(1)混凝土热学性能

混凝土的热学性能包括密度、导热系数和比热,一般根据混凝土的质量百分比进行估算。影响混凝土的导热系数主要因素是：骨料种类、骨料用量、混凝土的含水状态。从定量方面分析,骨料对混凝土导热系数的影响较大。采用不同种类骨料组成的混凝土,它的导热系数有明显差别。表1为实际使用混凝土配合比,表2 为估算混凝土热学性能使用的系数。

表1 混凝土配合比

表2 混凝土热学性能

根据表1和2可以计算得到：

导热系数：

λ=17.68%×4.593+26.9%×11.099+15.8%× 14.193+6.14%×2.16=10.43 kJ/(mh℃)；

混凝土比热：

c=1.05×(17.68%×0.536+26.9%×0.745+15.8%× 0.758+6.14%×4.187)=0.944 4 kJ/(kg℃)。

(2)水泥水化热

水泥水化时会发生温度变化,这主要源于几种无水化合物组分的溶解热和几种水化物在溶液中的沉淀热,这些热值的代数和就是水泥在任何龄期下的水化热。水泥水化热的大小与放热速率主要决定于水泥的矿物成分。西游洞特大桥胶凝材料水化热总量为Q=0.96×373.51=358.57 kJ/kg。

(3)混凝土绝热温升

西游洞特大桥采用混凝土的最大绝热温升为78.16℃。

(4)模板的放热系数和气温

在温度场计算中考虑模板对混凝土表面散热的影响,在拆模前为模板表面与空气热对流边界,拆模后为混凝土表面与空气热对流表面。钢模板和木模板的放热系数分别为76.53 kJ/(m2h℃)和27.73 kJ/(m2h℃),裸露混凝土表面的放热系数为kJ/(m2h℃)；入模温度为20℃。

(5)计算模型

采用 Midas/Civil 软件建立包含桥梁 0#块、1#块及墩的空间实体模型,模拟0#块、1#块的施工过程,分析施工过程中腹板的应力。有限元模型见图1,共有5 512个单元,8 805个节点组成。箱梁为C55 混凝土,墩身为C50 混凝土。

图 1 西游洞特大桥0#、1#模型

(6)左幅1#墩按实际施工顺序计算结果

图2和图3分别为左幅 1#墩 0#块、1#块拆内模后第8 d和第19 d腹板的应力分布图,由图2可以看到拆模后 0#与1#块交接区域的腹板部分首先出现较大的拉应力(约为2.6 MPa),随后0#块腹板也出现较大的拉应力,并且靠近横隔板位置的拉应力最大,而这些位置正是实际出现裂缝的位置。

图2 左幅1#墩内模板拆除8 d后腹板应力分布图

图3 左幅1#墩内模板拆除19 d后腹板应力分布

(7)右幅2#墩按实际施工顺序计算结果

图4和图5分别为右幅 2#墩 0#块、1#块拆内模后第27 d和第38 d腹板的应力分布图,可以看到拆模后1#块腹板倒角部分首先出现拉应力,随后0#块腹板也出现拉应力,并且靠近横隔板位置的拉应力最大,而这些位置正是实际出现裂缝的位置［4］。

2.3 其他设计、施工原因分析

图4 右幅2#墩内模板拆除27 d后腹板应力分布

图5 右幅2#墩内模板拆除38 d后腹板应力分布

(1)设计上指明“0号梁段由于预应力管道集中,钢筋密集,混凝土方量较大,为保证施工质量, 0号梁段混凝土的施工可采用分次浇筑,竖向分段位置应在箱梁截面中性轴附近,即距离箱梁底面5 m的位置附近,且两次浇筑的龄期差不应大于7 d”,而实际施工中0#块分底板、腹板、顶板3次浇筑,且每2次混凝土浇筑时间间隔在27 d。自生应力和约束应力超过了混凝土的极限抗拉应力造成裂缝的产生。

(2)开裂之后,没有做好合理的养护,而桥梁构件又是长期处于液—固的赋存环境中,空气中的水分通过裂缝入渗进去,造成混凝土原始微裂缝端部的性质变化,局部范围内的强度降低,导致进一步开裂。

(3)箱梁腹板外侧设有防裂网片,内侧未设。

2.4 箱梁0#块早期裂缝成因总结

(1)根据对施工配合比的分析,混凝土的水化热为415 kJ/kg,其中水泥理论水化热高达436 kJ/kg, 3 d和7 d的水泥水化热理论值分别为 222 kJ/kg和272 kJ/kg。7 d水泥水化热略高于GB50496-2009推荐的水泥限值。高水化热意味着单位时间产生的热量多,温升高(理论绝热温升高达79℃),其内外温差的控制难度大大增加。

(2)竖向裂缝多发源于底板与腹板的施工界面,向上发展迅速达到最大深度和宽度,多数底部裂缝宽度较顶部宽,0#块和1#块的分段浇筑,由于底板与腹板收缩时差达27 d,底板将对腹板形成强大的抗收缩约束,这种约束从下到上迅速减弱。腹板收缩受到底板约束呈现整体受拉性状,约束越强,自生的拉应力就越大,是裂缝从底部约束最大处开裂的机理。

(3)箱内裂缝较箱外多,首先因为内外箱采用了不同的模板,箱内木模是箱外钢模的放热系数的近3倍,同时箱外空气流动,其整体散热能力远高于箱内,即实际施工时腹板的箱外侧表面温度将低于箱内侧,其由于温差产生的表面拉力将大于箱内侧。原设计对箱外侧加装防裂钢筋网起到了在腹板外侧分散应力集中,分担部分拉力的作用。随着 10 d左右内模拆除,腹板内外侧的散热条件发生逆转,混凝土直接对空气放热系数将略高于钢模,同时养护开始,由桥下抽取的冷的河水作为养护水喷洒到内表面,使得内侧温差在短时间内下降过快,内侧去除了模板的约束,又没有设计防裂钢筋网,箱内混凝土表面累积的温度应力叠加上收缩应力将易超过短龄期的混凝土抗拉强度,而导致箱内表首先开裂和开裂较外侧多。

3 减少或控制混凝土早期裂缝的措施

(1)混凝土配合比设计时应考虑箱梁各个施工阶段的温度应力,采用较小的水灰比,采用中热硅酸盐水泥品种。

(2)严格控制沙、石材料的质量,使用洁净的拌合用水,减少混凝土内杂质。

(3)尽量使用散热快且刚度大的钢模。

(4)控制混凝土初凝时间及终凝时间,尽可能减少浇筑时间。

U445.7+1

B

1009-7716(2015)09-0149-04

2015-05-11

楼介翔(1985-),男,云南昆明人,工程师,从事试验检测工作。