薄壁混凝土结构槽型梁裂缝的研究讨论

聂政飞　宋洋

摘   要：预应力混凝土槽型梁是一种新型桥梁结构，适用于公路、铁路桥梁及城市轨道交通建设，槽型梁桥属下承式开口薄壁结构。现阶段，预应力混凝土槽型梁应用广泛，在桥梁建设中，槽型梁的腹板常采用的是薄壁混凝土结构。此结构体量小，可以节省成本且不失安全性。但同时，预应力混凝土槽型梁采用的薄壁混凝土易产生裂缝，本文着重于对薄壁预应力混凝土槽型梁的裂缝的现状进行讨论分析。

关键词：薄壁混凝土  结构  槽型梁  裂缝

中图分类号：TU755                                文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2020）06（b）-0035-03

Abstract：Prestressed concrete channel beam is a new type of bridge structure， which is suitable for highway， railway bridge and urban rail transit construction. The channel beam bridge is a substructured open-thin wall structure. At this stage， prestressed concrete channel beams are widely used. In bridge construction， the webs of channel beams often use thin-wall concrete structures.This structure has a small volume， which can save costs without losing safety.At the same time， the thin-walled concrete used in the prestressed concrete channel beam is prone to cracks. This article focuses on the current situation of cracks in the thin-walled prestressed concrete channel beam.

Key Words：Thin-walled concrete;Structure;Trough beam;Crack

1  引言

在现阶段的桥梁施工中，大多数槽型梁工程底板和腹板采用的都是薄壁混凝土结构，槽型梁腹板及底板均为薄壁混凝土结构，在竖向荷载作用下，将产生纵向弯矩及横向弯矩[1-2]。此时，槽型梁底板混凝土产生较大的拉应力，而起横向抗弯刚度较小，易出现纵向裂缝[2];槽型梁属于开口下承式薄壁结构，抗扭刚度较小，其腹板与底板结合处同时承受弯矩及扭矩，应力集中较为明显，该位置较易产生裂缝;槽型梁中钢筋、预应力筋分布较密，混凝土浇筑质量不易保证，裂缝较易产生[3-4]。裴雪锋[5]在对槽型梁裂缝研究中，对竖墙纵向的裂缝作了详细的成因研究。王起才[6]等在应用试验方法对槽型梁的材料性能研究，得到了裂缝的分布，对研究槽型梁裂缝有很好的启发。苏超等[7]应用理论和实际工程结合对混凝土裂缝的分析控制，很好的应用在工程实际中。

2  裂缝产生

薄壁混凝土槽型梁裂缝的产生有很多原因，施工时所处的温度因素、混凝土的自身结构因素、施工完成后的环境因素等都是裂缝产生的重要原因。下面，就以几个方面进行讨论分析。

2.1 施工时的环境与温度

在工程施工时，薄壁预应力混凝土槽型梁会产生裂缝的主要原因就是施工时所处的环境与施工时的温度。例如，在施工阶段混凝土浇筑施工进行时，混凝土中的水泥会因为遇水反应而产生大量的热量，也就是水化热，这种反应会导致混凝土本身内部热量聚集并且升温，这样就会产生此结构内部与外部的温差比较大。在前期，因为混凝土内部温度高而产生膨胀特性，同时内外导热极差，产生的后果就是在浇筑混凝土完成后，混凝土内部温度骤变，由热转凉，由于混凝土的热胀冷缩特性，使得后期混凝土内部会产生收缩。这就造成了薄壁混凝土会受到不同的应力作用，会导致混凝土产生裂缝。除了施工时的水化热影响外，由于混凝土材料的热胀冷缩，完成施工后的环境温度也会使混凝土产生裂缝。例如年度温差，由于一年四季会产生温差，尤其是我国北方的环境，一年中，温差极大，温度的变化，一般会使桥梁结构产生纵向位移[5]，若此时位移受限，薄壁混凝土结构会产生裂缝。

2.2 混凝土结构收缩

随着施工的完成，混凝土结构中含水量会逐渐变小，同时混凝土体积随之变小，这种情况就是干燥收缩，称干缩;而在水泥本身材料的作用下，混凝土会逐渐硬化，体积随之缩小，这种情况称为凝缩;通常情况下，凝缩与干缩统称为收缩。混凝土在施工完成后会产生收缩现象，混凝土的收缩主要就是混凝土干缩，混凝土在成型过程中，外部混凝土会首先干燥并逐渐向混凝土内部发展。干燥过程中，水分蒸发，产生不同的温度差，同时混凝土结构缩小，且缩小程度不同，由此产生混凝土内外部收缩大小不同，产生拉应力，引发混凝土产生裂缝。除了混凝土的干缩与凝缩作用，混凝土保养不当，例如露天暴晒、不及时养护、未成形使用等都会引起裂缝的产生。

2.3 凍胀因素

當温度在零度以下时，混凝土结构会发生冻胀现象产生裂缝。环境温度在零度以下时，混凝土内部中的自由水会因为温度转化为冰，而由于水变冰会膨胀，所以混凝土内部会产生膨胀应力。同时，混凝土结构内部由于温度原因使强度变低，此时在膨胀应力的作用下，易产生裂缝。

3  裂缝解决

桥梁建设中，薄壁混凝土槽型梁施工中裂缝产生因素极多，在现场施工时，应多做控制手段，防止裂缝的产生。下面，就几个方面的控制措施进行分析讨论。

3.1 槽型梁预应力张拉控制

在槽型梁施工中，通常会在腹板及底板位置布置预应力钢束，避免产生过大的裂缝。同时，在工程施工阶段，混凝土结构不会很快达到预期强度且槽型梁并未完全对称，所以，进行合理的预应力钢束张拉必不可免，需控制其张拉应力及张拉顺序，先进行横向预应力第一次张拉后，张拉纵向预应力，最后进行横向预应力第二次张拉。在施工过程中，薄壁槽型梁底板厚度小，预应力钢束单向张拉时会破坏梁的结构，所以，宜采用分段方案。此方案中，预应力钢束要进行双向张拉，控制张拉，逐步拉至设计数值。还需要建立有限元模型，对槽型梁张拉工序进行验证，应用MIDAS/Civil进行张拉数值模拟，并对相应的预应力筋及张拉控制应依次分阶段进行设定和激活，以此得出槽型梁在张拉过程中的应力计算结果[8]，如图1所示。

3.2 薄壁混凝土结构温度因素控制

薄壁混凝土槽型梁施工过程中，温度产生的裂缝都是由于混凝土结构自身材料。薄壁混凝土材料是由一系列材料组合而成的，材料在遇水后会发生强烈反应，这也是温度裂缝产生的原因。同时，也存在系统温差，系统温差只引起槽型梁变形，并不引起应力，横向位移和纵向位移都是随着系统温差的增大而线性增加[9]。因此，在施工中，有计划的选择高质量施工材料，尽量降低混凝土材料遇水生热的温度，这样能够有效的缓解温度裂缝的产生。除此之外，施工用的混凝土材料配合比也有着重要作用，通过事先试验方式结合现场施工情况，合理制定施工材料配合比，可以有效抑制施工裂缝的产生，例如在保证施工安全的情况下，合理减少水泥的使用等。同时，在施工工艺上，制定有效的施工顺序，或者采用新的浇筑方式或者采用新的建筑材料也会起到同样的效果，如图2所示。

3.3 薄壁混凝土结构收缩因素控制

混凝土结构的自身材料特性与混凝土自身结构特性，使得混凝土收缩应力不可避免，是混凝土收缩非常重要的影响因素。混凝土结构自身特性主要为物理上的膨胀缩小而发生的形变，由此产生的形变应力，使得混凝土结构产生裂缝。在槽型梁施工过程中，周围环境会对混凝土结构产生湿度和温度上的影响，由此在施工中也会影响混凝土自身的结构产生收缩。混凝土凝固中，由于收缩作用产生形变，为减少形变，在混凝土施工时，在不影响施工安全性的情况下，可将试验验证后一定比例的粉煤灰加入到混凝土材料中，这样能对薄壁混凝土结构中的孔隙率进行有效控制，同时还能促进薄壁混凝土结构的刚度、强度以及坚韧性大大提升，进而有效提高槽型梁整体结构的安全可靠性[10]。粉煤灰能够发挥这种功效的主要原因在于其加入的含量与薄壁混凝土结构中化学反应产生的水化物含量呈反比关系[11]，在实际工程施工中，应事先做好试验，并考虑工程所处实际环境进行施工。

4  结语

施工裂缝会使混凝土结构本身出现失稳，破坏等情况，破坏结构外观，也会使得工程出现安全性问题。薄壁混凝土槽型梁施工中不可避免会产生裂缝，我们要做的就是使得裂缝减少，直至控制裂缝的产生，对混凝土施工具有重要意义。本文着重在几个方面对薄壁混凝土结构的裂缝问题进行了讨论分析，希望会对后来施工有所启发。

参考文献

[1] 黄侨，陈卓异，杨明.槽型梁桥力学性能的研究现状与展望[J].中外公路，2013，33（6）：131-136.

[2] 赵会东，倪燕平.轨道交通槽型梁应用研究[A].推进铁路新跨越加快经济大发展——中国科协2004年学术年会铁道分会场论文集[C].北京：中国铁道学会，2004：444-447.

[3] 张明俭，刘刚.轨道交通槽型梁平面与空间受力分析比较[J].路基该工程，2011（3）：140-143.

[4] 徐志鹏，周威.局部槽形预应力混凝土板双向板弯矩分析[A].第十七届全国混凝土及预应力混凝土学术会议暨第十三届预应力学术交流会论文集[C].南京：中国土木工程学会混凝土及预应力混凝土分会，2015：410-417.

[5] 裴雪锋.槽型梁竖墙纵向裂缝成因及运营安全性分析[D].北京交通大学，2018.

[6] 王起才，薛彦瑾，张戎令，等.高速铁路无砟轨道简支槽型梁静载弯曲试验研究[J].西安建筑科技大学学报：自然科学版，2016，48（4）：463-467，476.

[7] 苏超，李顺顺，杨旸，等.坞式闸室混凝土裂缝控制措施[J].水运工程，2019（10）：124-129.

[8] 张彬，康旭荣，张友林.浅析渠道薄壁混凝土裂缝产生原因及控制措施[J].河北水利，2012（11）：39.

[9] 梁岩，毛瑞敏，张文格，等.城市轻轨槽型梁温度效应及裂缝分析[J].铁道科学与工程学报，2018，15（3）：677-684.

[10]王金杰，薄士威.浅析薄壁混凝土裂缝施工控制技术[J].水利与建筑工程学报，2011，9（1）：130-132.

[11]罗许林.薄壁混凝土槽型梁裂缝控制技术研究[J].四川水泥，2018（6）：178-179.