铁路箱梁静载试验开裂原因分析及控制措施

孙金更

(中国铁道科学研究院标准计量研究所国家铁路产品质量监督检验中心，北京 100081)

铁路箱梁静载试验开裂原因分析及控制措施

孙金更

(中国铁道科学研究院标准计量研究所国家铁路产品质量监督检验中心，北京 100081)

通过预制后张法预应力混凝土铁路桥箱形简支梁静载试验出现的1.0级荷载开裂问题，对开裂原因进行全面分析。重点剖析由于蒸养拆模、混凝土水化热高峰期拆模，造成混凝土芯部与表面、表面与环境温差超过15 ℃的标准要求，致使混凝土内部温差应力超过其抗拉极限强度而早期开裂的原因。论证静载试验在1.0级时，当混凝土抗拉极限强度fct=0，则抗裂安全系数Kf=λ，梁体在静载试验时出现1.0级开裂的必然性，进一步阐明混凝土温差应力超限是箱梁静载试验开裂的主要原因，提出预防出现早期裂缝的控制措施。

预应力混凝土；箱形梁；静载试验；抗裂性；开裂原因；温差应力；水化热

1 概述

客运专线预制整孔简支箱梁以抗扭刚度大、受力明确、建设速度快、易保证质量、建成后的桥梁养护工作量小以及低噪声等优势，在铁路客运专线中被广泛采用。铁路预制梁箱梁自重较大、不易更换，要求其具有较好的耐久性。预应力混凝土结构的抗裂性能直接影响结构的耐久性，保证结构抗裂性非常必要。桥梁静载弯曲抗裂性试验是检验桥梁结构的重要手段，是检验梁体抗裂性能和刚度是否满足设计要求的常规方法。通过静载试验，可以更好地掌握箱梁结构的工作状态，判断是否符合设计要求和正常受力状态，可以完成对梁体承载能力和工作状况的总体评价，是控制桥梁总体质量的重要方法。根据《客运专线预应力混凝土预制梁暂行技术条件》(以下简称“《标准》”)以及相关规范要求，在梁体终张拉30 d后，除首孔梁进行静载试验外，每批次60片随机抽样进行1件梁静载试验。如静载试验过程中在1.2级荷载内出现受力裂缝，则判定不合格。如何在施工中采取措施，保证结构抗裂性，是箱梁预制的关键环节。为此，箱梁静载试验开裂原因以及控制措施有必要进行深入探讨。

2 箱梁结构抗裂性分析

根据《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》( TB1002.3—2005)(以下简称《桥规》)规定，对于不允许出现拉应力的预应力混凝土结构，正截面抗裂性验算公式如下

(1)

(2)

式中Kf——抗裂安全系数，依据规范Kf≥1.2；

σ——计算荷载在截面受拉边缘混凝土中产生的正应力；

σc——扣除相应阶段预应力损失后的混凝土的预压应力；

fct——混凝土抗拉极限强度，对C50混凝土，fct=3.10 MPa；

γ=2S0/W0——考虑混凝土塑性的修正系数；

S0——换算截面重心轴以下的面积对重心轴的面积矩，m3；

W0——对所检算的拉应力边缘的换算截面抵抗矩，m3；

λ——预应力度。

根据设计院提供的统计资料，各种梁型主要设计参数统计见表1。

表1 梁型设计参数统计

由式(1)可知，抗裂安全系数Kf与预应力度λ、混凝土塑性系数γ、混凝土抗拉极限强度fct有关，依据《桥规》规定：对于不允许出现拉应力的预应力混凝土结构，按弹性阶段检算截面抗裂性，但在运营阶段正截面抗裂检算中，应计入混凝土受拉塑性变形的影响，其Kf≥1.2，由式(1)和式(2)得λ+γfct/σ≥1.2，由表1可知对于某一桥梁结构类型λ、γ、σ为定值，一般情况下λ在1.0～1.1，梁体抗裂性能否大于1.2主要取决于fct，如混凝土养护不到位，早期出现裂纹，则fct=0，这时梁体抗裂安全系数是不可能达到1.2的，因此，静载试验中出现早期开裂的主要原因是混凝土早期开裂。

3 箱梁混凝土早期裂缝分析

混凝土裂缝可分为荷载引起的裂缝和非荷载因素引起的裂缝，早期裂缝主要是由于非荷载因素所引起的。非荷载因素裂缝主要包括收缩裂缝和温度应力裂缝。

3.1 收缩裂缝

收缩是混凝土在不受力的情况下，因体积变化产生的变形。当混凝土不能自由收缩时，收缩的结果会在混凝土内引起拉应力而产生裂缝。早期混凝土的胀缩、水分蒸发收缩(2～12 h)、自生收缩等是近年来发现的工程现场早期开裂的主要原因，特别是高强混凝土的早期收缩量有可能很大。早期水化化学收缩、骨料下沉及砂浆上浮、表面水分蒸发等因素引起，后两种在施工阶段出现较多。研究表明，不同的水泥品种、水胶比、坍落度、掺合剂、养护条件等对早期的塑性收缩裂缝影响很大。箱梁为狭长薄壁结构，浇筑过程中混凝土不易密实，易导致骨料下沉水泥浆上浮，而出现表面裂缝。

3.2 温度应力裂缝

温度应力裂缝是混凝土箱梁早期开裂的主要原因，温度应力与混凝土凝结硬化时的水化热、养护制度、撤除蒸汽养护罩及拆模时的环境温度、结构的约束情况等密切相关。

(1)水化热引起温度梯度而开裂。高速铁路简支预制箱梁截面尺寸及混凝土体积较大，如时速350 km的32 m预制简支箱梁，每片梁324 m3混凝土。混凝土浇筑完成后的初凝阶段，水泥水化反应快速，释放大量的热量，但热量积聚在混凝土内难以散发，导致混凝土内部温度迅速升高，而表面温度低，因此造成混凝土芯部与表层、表层与外部空气环境形成内外温差。当混凝土内外温差较大，其产生的不均匀的温度应变在受到混凝土结构件本身约束和外界约束时，将在混凝土硬化过程中产生较大的温度应力，当混凝土产生的这种温度应力达到一定程度而超过混凝土抗拉强度时，混凝土结构就会开裂。

(2)温差的形成。拆模阶段，由于拆模后的环境影响，混凝土表面温度迅速降低，而内部温度降低速度缓慢，根据某工程现场实测数据，箱梁跨中及端部截面底板混凝土的水化热下降规律是每小时降温0.45～0.55 ℃，顶板每小时降温0.35～0.45 ℃，腹板每小时降温0.30～0.35 ℃，这样就会形成芯部与环境的陡然温差而产生温度应力。而在拆模时，依据《标准》要求混凝土的强度仅达到设计等级的60%，此时混凝土的抗拉强度较低，如温度应力超限极易产生早期裂缝。早期裂缝在梁体预施应力后闭合，因此也经常不被注意到，但开裂的混凝土抗拉强度已经丧失，在静载试验阶段，就出现了早期开裂。

(3)混凝土伴随温度的升降会产生胀缩变形，此胀缩应变决定于混凝土热胀系数和温度变化量。混凝土浇筑后升温过程中还基本处于塑性或弹塑性状态，此时弹性模量较低，变形能力很大，温度应力对结构的影响可以忽略不计，温度变化对混凝土的影响主要表现在降温阶段。

在降温阶段，由于混凝土较差的导热性，且结构内外降温速率不同。当混凝土受自身的非线性温度场约束，或混凝土内外形成较陡的温差梯度时，外部混凝土的收缩明显大于内部混凝土的收缩，内部混凝土对外部混凝土的收缩提供了约束，产生了混凝土表面的约束拉应力，当约束拉应力超过混凝土抗拉极限时，梁体就会产生裂缝。因此，温度裂缝是造成箱梁开裂的主要因素之一，尤其降温阶段应作为重点关注的问题。

以京沪高速铁路32 m箱梁为研究对象，使用Midas FEA软件建立实体单元模型，模型共有104 252个单元和133 506个节点，约束在实际支座位置并模拟4个支座的活动方式。混凝土强度等级为C50。

计算工况：模拟混凝土芯部与表层-15 ℃温差工况。箱梁外表面与内表面均为-15 ℃，箱梁腹板、底板、顶板、顶板与腹板交接处及底板与腹板交接处的芯部温度为0 ℃。

分析结果表明：芯部与表层的温差致使底板上下表面产生约4 MPa的纵向应力，腹板内外表层产生3.8 MPa的纵向应力。

一般情况下，设计要求拆模时混凝土强度为设计强度的60%，相当C30混凝土，其对应弹性模量为3.2 GPa，约为C50混凝土弹性模量的0.9倍，但初期弹性模量增长较慢，并不与强度呈对应关系增长，一般低于对应强度等级的混凝土弹性模量，由某梁场试验资料，2 d时的弹性模量为C50混凝土弹性模量的0.6～0.8倍。因此本文将模型中混凝土弹性模量分别按0.8、0.6、0.4、0.2进行折减后相应计算，分析弹性模量对温差应力的影响(表2)，跨中截面纵向应力计算结果表明，底板和腹板应力随弹性模量降低也相应降低。当弹性模量在设计弹模0.8倍以下时，箱梁表面产生3.308 MPa以内的温差应力，而考虑混凝土塑性变形修正系数1.5，对于C30混凝土γfct=1.5×2.2=3.3 MPa。即拆模时混凝土强度为设计强度的60%、温差应力15 ℃时，梁体混凝土表面产生的混凝土温差拉应力(3.308 MPa)与混凝土自身的抗拉强度(3.3 MPa)相当，说明梁体混凝土表面具有抵抗温差变形的能力，考虑钢筋的约束作用，箱梁结构在满足芯部与表层15 ℃温差时，具有足够的抗裂性。

表2 底板底面应力和腹板外层应力与弹性模量折减系数关系

4 早期裂缝的控制措施

4.1 优化混凝土的配合比，降低水化热，减小内部温升

混凝土材料和配合比是影响早期裂缝的直接因素，选择混凝土原材料、优化混凝土配合比的目的是使混凝土具有较好的抗裂能力。即要求混凝土的绝热温升较小、抗拉强度较大、极限拉伸变形能力较大、热强比较小、线膨胀系数较小，自生体积变形最好是微膨胀，至少是低收缩。在绝热环境下，认为混凝土水化热没有损耗，全部转化为混凝土温升的热量值，绝热温升随时间上升的规律由下式确定

(3)

式中W——水泥用量，kg/m3；

F——掺合料用量，kg/m3；

k——掺合料折减系数(对于粉煤灰，可取k=0.25)；

c——混凝土比热，可取0.92 kJ/(kg·℃)；

ρ——混凝土密度，根据混凝土的配合比进行取值。

从式(3)可以得出，若每m3混凝土减少10 kg的水泥用量，混凝土的水化热温升将随之降低1 ℃左右。因此，在保证混凝土初张拉强度、弹性模量的前提下，可以采取的有效温控措施就是要尽可能降低水泥用量，添加粉煤灰等掺合料，或通过采用低水化热的水泥的方式降低混凝土最高温升。

因此，混凝土配合比设计应辩证地把握好早期强度与水化热的“度”。水泥用量大早期强度高，对初张拉即生产进度有利，但水泥用量大而产生的水化热不利于温度应力的控制。

4.2 控制好养护期间的温度，合理设计冬季施工时的蒸汽养护制度

据《标准》要求，预制梁蒸汽养护按静停、升温、恒温、降温4个阶段进行控制。静停期间应保持棚温不低于5 ℃，浇筑完4～6 h后方可升温，升温速度不得大于10 ℃/h，应采用“跟踪养护”，即根据水化热发展速度而升温/降温，以避免升温过快导致混凝土发生较大膨胀，引起混凝土微观结构的破坏，降低混凝土的最终强度。恒温期内温度应控制在45 ℃以下，可通过箱梁脱模强度要求、混凝土配合比、以及外在环境条件等来确定恒温条件下的养护时间，恒温养护时间具体应根据试验确定。恒温期梁体芯部温度不得超过60 ℃。降温速度不但应保证不大于10 ℃/h，而且还应跟踪养护棚温度与梁体内水化热的温差，使混凝土芯部与表面温差切实得到有效控制，保证混凝土内、外温差不超过15 ℃。为此，应在跟踪养护制度基础上实行升降温速度(10 ℃/h)、混凝土温差(15 ℃)的双控。

(1)静停阶段

静停阶段为简支箱梁混凝土浇筑成型到混凝土初凝完成，开始供应蒸汽前的阶段。在静停期内混凝土进行一定程度的水化反应，混凝土初步硬化，使之具备一定的初始强度，抵抗在升温期中出现的“肿胀作用”。静停期间对蒸汽养护方面的规定是应保持棚温不低于5 ℃，浇筑完至少4～6 h后方可升温，主要因为当环境温度降低到5 ℃以下时，箱梁局部混凝土温度可能在0 ℃左右，存在混凝土中的水有一部分开始结冰，使水化作用减慢，强度增长相应变慢，同时水变成冰后，体积约增大9%，产生冰胀应力，会使混凝土结构受到不同程度的破坏。考虑到安全一般静停阶段环境温度最小应控制在5 ℃以上。

(2)升温阶段时间控制

升温开始时，梁体混凝土的强度还较低，由于钢模的高导热和低蓄热性，会形成从混凝土侧到钢模侧的温度差。当该温度差较大时，混凝土表面将承受较大的拉应力，造成混凝土表面开裂，升温速率是升温阶段控制最关键的一个环节。通过对升温速率的控制，可以调节箱梁的硬化强度和热胀变形产生的温度应力之间的关系，避免升温过程中混凝土温度应力超过其硬化强度造成混凝土开裂。比如当环境温度为t1=5 ℃时，为保证梁体混凝土芯部与表层、表层与环境温度差不超过15 ℃，混凝土养生恒温温度t0=45 ℃，升温速度v1=10 ℃/h，根据规范，升温时间最短需要T1=(t0-t1)/v1=(45-5)/10=4 h。考虑到混凝土的初期芯部水化热温度较低，且强度较低，升温阶段宜釆用分阶段控制，在蒸养初期，应采取缓慢升温。

(3)恒温阶段时间确定

恒温阶段的主要控制参数是恒温温度和恒温时间。恒温期是简支箱梁混凝土强度增长最快的阶段。恒温阶段的温度越高和养护时间越长，箱梁的强度发展越快和养护结束时获得的强度越高。但恒温时间超过某一值时，箱梁强度会出现“锯齿”波动，甚至出现最终强度回缩，因此要控制恒温时间。为避免养护温度与环境温度相差太大，使梁体对温度变化过于敏感，《标准》规定混凝土芯部温度不宜超过60 ℃，最大养护温度不宜超过45 ℃。水化热60 ℃-45 ℃=15 ℃，芯表温差符合要求。

对于简支箱梁混凝土蒸汽养护的恒温时间，应根据简支箱梁脱模强度要求、混凝土配合比以及环境条件等通过试验确定。简支箱梁混凝土的强度必须确保移出养护罩后，满足拆模及预张拉的强度要求。根据某工程试验，在45 ℃恒温、水胶比等于0.32、蒸养混凝土强度要求达60%时，恒温时间确定为不少于10 h。

(4)降温阶段控制

降温是养护4个阶段的关键环节。降温阶段的主要控制参数是降温速率、混凝土芯部与表层温差、表层与环境温差值。在降温过程中，表层降温快，收缩亦快；内层降温慢，收缩亦慢，在构件表里产生温度差，在表层混凝土中产生拉应力，当拉应力超过混凝土抗拉强度时，就会在混凝土表层产生温度裂缝。另外，降温时应缓慢停气、均匀降温、保持湿度，以消除蒸养对箱梁混凝土强度的影响。

一般梁场，降温开始时刻为浇筑20 h，铁科院有关试验数据表明，混凝土水化热在浇筑20 h时正上升到顶峰60 ℃，且梁体某些部位在50 ℃及以上将持续20h。混凝土水化热的下降速率：梁跨中及端部截面底板每小时降温0.45～0.55 ℃，顶板每小时降温0.35～0.45 ℃，腹板每小时降温0.30～0.35 ℃。梁体混凝土芯部的降温速率最快仅为0.55 ℃/h。

若混凝土芯部的降温速率按0.50 ℃/h计算，一般企业生产工艺规定降温18h，芯部温度降低18 h×0.50 ℃/h=9 ℃，届时芯部温度为60 ℃-9 ℃=51 ℃，梁体表面温度为15 ℃，芯表温差为51 ℃-15 ℃=36 ℃，远超出《标准》限定的15 ℃，此时的混凝土强度仅为设计强度的60%，足以使混凝土开裂。当环境温度0 ℃，蒸养棚内温度=梁体表面温度=15 ℃，混凝土芯部温度需要降至30 ℃，方可满足两个15 ℃的要求。需要下降温度=60 ℃-30 ℃=30 ℃，需要降温时间为30 ℃/0.50 ℃/h=60 h，蒸养时间总计：静停6 h+4升温h+恒10 h+降温60 h=80 h。如降温时间太短，则会导致混凝土早期开裂。降温速度、降温时间、拆模时间点不仅要考虑养护棚温与环境温差，更要考虑梁体表面与芯部温差。而芯部水化热温度是控制降温速度、降温时间长短的关键。

4.3 预张拉措施

按目前工艺控制，早期开裂并未像分析的这样普遍，究其原因，存在着发证检验用静载试验梁一般是第1榀或第2榀，试生产期尚未批量生产，养护时间较长；冬季施工时水化热引起的芯部最高温度受环境温度的影响，有可能在50～55 ℃，撤出养护罩以及模板拆除都是安排在一天温度最高的时间段，这样可以有效地减小温度梯度；但如何更有效地避免温差过大出现的早期裂纹，除了进行跟踪养护、减小温差应力外，在模板松开后立刻进行预张拉是预防温度裂缝出现的有效措施。

目前在通用图设计中已经把预张拉作为预施应力施工的关键环节，通过预张拉，使结构产生一定的压应力以抵抗由于温差引起的拉应力，同时应严格控制从降温开始到模板拆除及预张拉前整个过程的温度差。

4.4 拆模时的技术要求

拆模应实行温度、强度双控，并应以温度为主控条件。

(1)温度控制：蒸汽养护结束后，待梁体芯部混凝土与表层混凝土之间的温差、表层混凝土与环境之间的温差均不大于15 ℃，以及箱梁腹板内外侧混凝土之间的温差也不大于15 ℃时方可拆模。在寒冷季节施工时，若环境温度低于0 ℃，应待表层混凝土冷却至5 ℃以下才可拆除模板；气温急剧变化以及大风天气时不宜拆模。

(2)强度控制：箱梁拆模时的混凝土强度应符合设计要求。当设计无具体规定时，应达到设计强度的60%以上。当预制梁带模预张拉(即松脱而不移走)时，混凝土强度可以达到设计强度的50%，模板及支座板固定螺栓应松开，不应对梁体压缩造成阻碍。

5 结语

当混凝土温差超过15 ℃，其内部温差应力将致使混凝土外表或内部开裂，从而丧失了混凝土Rl，静载试验1.0级时梁体将会出现开裂。为保证梁体抗裂性，应注重控制芯部与箱内、箱外表面温差不得超过15 ℃；表面温度与箱内、箱外环境温差不得超过15 ℃，蒸养拆模不当易造成箱外梁体表面温度与气候环境温差超过15 ℃，同时水化热造成芯部与外表面温差超过15 ℃。

为保证结构抗裂性，一方面应采取措施降低原材料的水化热、采取跟踪养护制度，减小温差应力，同时采取预张拉措施使结构处于受压状态，避免早期裂纹的出现，保证箱梁结构的耐久性。

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Cause Analysis and Control Measures to Cracking of Railway Box Girder

SUN Jin-geng

(Quality Supervision and Inspection Center for Railway Products， Standard and Metrology Research Institute， China Academy of Railway Science， Beijing 100081， China)

With regard to the cracking identified under the static test for prefabricated post-tensioned prestressed concrete railway bridge simply supported box girder， this paper analyzes the causes of cracking with focus on early cracking due to the fact that the concrete inner temperature difference stress exceeds the tensile ultimate strength， which is caused by the temperature difference between the core and surface of the concrete， and the temperature difference between the surface and the environment in excess of the restricted 15 ℃ on account of the form removal during steam curing and in peak period of concrete hydration heating. The author demonstrates the inevitability of cracking during beam static load level 1.0 test with concrete tensile limit strengthfct=0， and anti-crack safety factorKf=λ， further elucidates that it is the concrete transfinite temperature stress that gives rise to box girder cracking， and puts forward control measures to prevent early cracks．

Prestressed concrete; Box girder; Static load test; Crack resistance; Cracking reason; Temperature difference stress; Hydration heating

2015-04-24

孙金更(1956—)，男，高级工程师。

1004-2954(2015)07-0084-05

U448.21+3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.07.019