大跨度预应力连续刚构桥梁零号块的开裂劣化分析

(中铁十八局集团建筑安装工程有限公司，贵州毕节 551717)

当前我国基础建设事业在不断发展，高速公路线路穿越江河和峡谷通常需要架设桥梁，因此连续刚构箱梁桥得到了广泛的应用[1]。随着跨越长度的增加，需要桥梁拥有更小的自重。更高的强度、更大的跨度，混凝土连续刚构桥有着诸多优点，尤其上部结构采用箱梁[2-3]，并且其线形连续，顺桥向有较高的平整度，适用于高速公路行车对路面平整度的高要求；其次，结构形式简单而不需要再两跨架设挂梁或者铰接，由于其优异的结构形式和简单可靠的施工方法，现已成为主要采用的桥梁结构形式之一[4-6]。我国建成和在建的刚构桥一般采用墩梁固结的悬臂对称施工工艺[7]。优点如下：至少有两个主墩；上部结构采用更大跨度的连续梁，截面通常采用变截面箱梁，拥有箱梁抗弯惯性矩较大，整体性好。但由于上部结构为连续箱梁，其中桥墩作为主要承重结构，为了能够承担上部结构的车辆荷载和自重，桥墩通常采用高强度的大体积混凝土，而大体积混凝土的施工及水化热反应对其耐久性有重要的影响[8]；国内外很多桥梁零号块在浇筑中缺乏经验或者施工工艺不到位，一般会导致成桥以后由于水化热或者施工工艺问题导致其开裂，对连续刚构桥的刚度产生不利的影响，为了减小施工工艺和大体积水化热对零号块混凝土的影响，降低其开裂的可能，利用国内外学者研究资料[9-10]，总结其理论成果和施工经验，指导本次桥梁的施工，避免零号块出现开裂。研究其裂缝产生原因，指导新建桥梁的施工，从而达到经济、适用、安全和美观的要求。

1 开裂原因分析

世界第一高墩连续梁刚构桥梁—雅西高速腊八斤大桥，主桥跨径组合为:105+2×200+105(米)，桥长1140多米，单墩跨度最大200米，其主跨为变截面连续刚构，采用分幅设置，如图1所示。往往采用墩梁固结的方式，施工过程简单而不涉及转体的方式，但零号块作为上部结构与下部的联系，起到承担上部荷载传递到基础的作用，基础的浇筑质量决定上部桥梁的正常使用。为了更好地传递上部荷载，浇筑中采用高强度混凝土，但随着大体积混凝土的使用，为了避免浇筑完成产生裂缝，影响结构安全及桥梁的耐久性，总结了浇筑过程中影响高强度、大体积混凝土在施工及养护中开裂的原因，将研究成果应用到本次在建云南某大跨度连续刚构桥零号墩的施工中。

图1 雅西高速腊八斤大桥

文献[8]中介绍了高强度混凝土的使用，砼的水化热往往是不能忽视的问题。水化热反应是引起零号墩开裂的重要原因之一，零号块浇筑在横截面通常由底到顶分节段浇筑，纵向从桥墩中心向两侧开始施工，完成后进行养护。如图2所示横断面、纵断浇筑顺序。针对本次云南某现浇连续刚构桥的零号墩的施工，分析并总结国内外现有桥梁零号墩的开裂原因，结合实际工程案例，改进施工工艺、原材料的级配和养护方式等，减小零号块水化热引起的混凝土的结构空隙和避免应力集中引起内部裂缝和表面的裂缝，保障桥梁架设以后的正常通车运营。零号块浇筑、养护中存在开裂的原因有以下几点：

图2 零号墩浇筑横、纵断面示意图

1.1 施工中模板的变形

施工前期准备中施工支架通常采用搭接方式，搭接前对地基基础进行处理，满足设计规范中要求的承载能力和变形值，避免地基发生沉降引起支架的位移变化，进一步影响支模的平整度，导致混凝土浇筑以后，强度形成过程中墩台基础发生变形。

1.2 混凝土收缩引起的变形

混凝土的收缩、徐变引起的变形，其强度形成后，混凝土构件的内外表面由于收缩导致变形不一致，混凝土构件由于抗拉强度远远低于抗压强度，表面会出现裂缝[11]。

(1)收缩：连续钢构桥梁上部结构采用高强度的钢筋混凝土，骨料和水发生化学反应，混凝土凝结初期或硬化过程中出现体积缩小，从而产生收缩。

(2)徐变：在长期荷载作用下，混凝土的变形随时间而不断增大的现象。混凝土内部的水泥凝胶体在外荷载作用下产生粘性流动，把压力传递给集料，使集料的变形逐渐增大，而导致混凝土的变形。 混凝土内部的微裂缝在荷载长期作用下逐渐放大，形成宏裂缝。而导致混凝土变形，长期作用应力的大小，受荷时混凝土的龄期影响，受荷时混凝土龄期越短，混凝土中尚未完全结硬的水泥胶体越多导致徐变越大。

1.3 温度变化引起的裂缝

高强度混凝土在形成强度初期，对于连续刚构体系的桥梁的零号块，后期承担的较大和复杂形式的荷载，通常采用大体积、高强度的混凝土，水化热放出大量的热量，并且养护需要大量的水，二者相互作用，进一步加快了混凝土的碱骨料的化学反应，混凝土的反应完成后期在遇到气温骤降和昼夜温差较大的环境中，零号块在温度变化的热冲击作用下，内外表面更容易开裂。

1.4 荷载作用引起的裂缝

(1)施工荷载引起的开裂

施工由于温度或者湿度的影响，混凝土构件在养护不到位情况下，上施工块未达到设计规定的强度，开始施工下一个施工块，导致构件发生开裂。

(2)零号块达到设计强度的75%时，由于现场对上部结构节段重量和堆载沙袋的重量超出设计值的一定范围，施工模板和支架过重导致零号块在强度初期内部产生裂缝，随着上部结构施工的进行，裂缝进一步发展，导致混凝土零号块外表面开裂。

(3)施工过程中局部出现超出设计值的集中力，零号块强度达到设计强度后，开始张拉预应力钢绞线时，由于横向钢筋在零号块预留孔道，拆模张拉，导致沿着孔道一角出现开裂。

1.5 施工质量不达标导致开裂

(1)混凝土搅拌和商砼运输到施工现场，由于夏季高温水分的蒸发，引起混凝土坍落度过低，导致混凝土浇筑以后流动性和和易性表差，振捣很难捣实，混凝土构件成型后必然发生内外表面出现不规则裂缝。

(2)混凝土分层和分段浇筑过程中，新旧混凝土接头搭接段处理不到位，容易导致在新旧层面搭接位置出现开裂现象。

2 工程概况及预防措施

如图3～4所示，云南某在建的跨河谷大桥，桥梁跨越山间沟谷，河谷最大深度30米。桥位处主要地层为碎石、全风化玄武岩，大桥的桥梁孔跨布置为 3×40米，桥梁方案采用预应力混凝土连续钢构梁。

图5 云南某在建的跨河谷大桥的零号块施工

图4 零号块尺寸图

全桥共分1联，桥台处设置80型伸缩缝。结合国内外的研究资料，分析了产生裂缝的原因，结合云南某实际连续刚构施工的实际工程案例，采用了以下措施，降低零号块浇筑完成后开裂的风险。

2.1 施工模板引起裂缝的控制措施

支架和模板在施工前，结合对地基土的物理力学参数的实验结果和变形计算，采用设计荷载的120%进行堆载预压，消除支架的弹性变形；浇筑混凝土一般不允许对底板倒角处进行振捣，防止模板出现松动，导致构件出现空洞和裂缝。

2.2 混凝土的收缩徐变

(1)混凝土浇筑过程中严格控制水灰比，商砼运输距离不宜过长，出料口距离模板高度不应超过1米，不宜下料过快和长时间的搅拌，需要分层浇筑和振捣，浇筑顺序应为，先浇筑顶板外侧，最后浇筑顶板预腹板的交接处。

(2)混凝土收缩产生裂缝需要做好拆模后的养护，避免表面水分蒸发过快导致表面开裂，可利用喷雾器喷洒养护。

2.3 温度变化引起裂缝的控制措施

由于零号块浇筑采用高强度的大体积混凝土，水化热对其影响明显，尤其零号块腹板厚度=4.2米≥ 2米，内外温差最大20度，在底部预留矩形的小孔，利用通风带走一部分热量，同时铺设冷循环水管，将内部多余热量带走。

2.4 施工荷载引起的开裂的控制措施

零号块的下一节段在浇筑前需要等上一个构件强度到达设计强度的80%以上，施加其上的施工荷载不能超过设计值，完成养护以后开始下一节段的施工；横向钢筋在零号块预留孔道处增加抗裂钢筋，防止张拉后沿着孔道一角出现开裂。

2.5 施工质量不达标导致开裂控制措施

为了避免商砼长时间运输导致水分蒸发过快，减小拌合站与施工现场的距离，保证和易性和坍落度满足设计要求；新旧混凝土接头铺设连接和过度材料，保证二者协同变形和工作。

3 结 语

为了研究连续刚构桥零号墩出现开裂的原因，利用已有文献研究成果，以及本文研究成果应用到云南在建连续刚构零号块的实际工程案例中，主要结论如下：

(1)根据国内外研究结果，结合多年连续刚构桥的施工经验，总结的引起裂缝的原因，分别对影响零号块开裂的五类因素分析，如施工模板、混凝土收缩徐变、温度变化、施工荷载和施工质量，得到影响因素与大体积零号块开裂的内在联系。

(2)分析得到的五类影响因素与零号块开裂之间的关系，参考结论成果，紧密结合理论成果并应用到浇筑云南某连续刚构桥梁零号块实际工点中，防止浇筑零号块出现开裂，保证了施工质量达到设计标准。