大跨徑預應力混凝土薄壁箱梁橋施工早期裂縫的控制技術初步研究

文良統

0 引言

預應力連續箱梁結構具有整體性好、跨越能力強、施工費用少等優點，在大型橋梁中得到了廣泛應用，但由于其混凝土收縮、徐變、溫濕度變化，預應力損失，原材料及混凝土施工質量等影響，容易引起箱梁混凝土開裂。按照全預應力設計的要求，箱梁結構不允許帶裂縫工作，裂縫的出現不僅對結構的耐久性和使用壽命帶來嚴重損害，而且對結構的整體安全性帶來嚴重隱患。

近十年來，大跨徑混凝土梁橋不斷發展，主跨的持續下撓，腹板斜裂縫，底板裂縫、橫隔板裂縫等現象已成為國內外大跨徑預應力混凝土梁橋的常見病害。混凝土開裂是一個復雜的綜合性問題，它涉及結構、材料與施工等多方面因素［1］。準確分析和評價混凝土的開裂趨勢，是采取措施有效地減少或避免開裂的前提。在重要的混凝土結構基礎設施建設過程中，對材料的抗開裂性能進行評價，并以其作為設計、施工與原材料選用的依據，有效地保證結構物在不同環境中達到其設計使用壽命，已成為當前混凝土材料界和工程界研究領域的熱點問題。

混凝土結構施工早期的開裂問題越來越受到重視［2，3］，到目前為止，國際材料與結構試驗和研究實驗室聯合會(RILEM)已經召開過三次會議:1982年在巴黎召開了“早期混凝土”會議;1994年在德國慕尼黑召開了“混凝土早期熱裂縫”國際會議;2001年在以色列召開了“膠凝系統的早期開裂”會議。

本文結合廣西自治區貴港市桂平郁江特大橋連續梁橋施工的實際情況來加以論述大跨預應力混凝土箱梁橋施工質量控制措施。廣西梧州至貴港高速公路k124+770桂平郁江特大橋橋型結構為:12×30 m T梁+(88+2×160+88)m+18×30 m T梁，橋長1 404 m。主橋采用預應力混凝土變截面薄壁連續剛構，下部采用雙薄壁實心墩;引橋上構為先簡支后連續預應力混凝土T梁，下部結構為雙柱式橋墩，橋臺為肋式橋臺;全橋基礎為鉆孔樁基礎。

結合上述桂平郁江特大橋現場施工實際情況，考慮混凝土箱梁橋的特點，制定適合大跨連續箱梁混凝土施工技術方案和現場質量控制措施，提出具有可操作性的控制混凝土澆筑質量特別是控制早期混凝土裂縫的相應技術方法。

1 箱梁混凝土預防早期裂紋產生的施工措施

1.1 控制原材料質量

對原材料(鋼筋、水泥、砂、碎石、水等)都應進行嚴格的抽樣檢驗，對混凝土配合比應進行對比試驗。如果砂、碎石的含水量與設計時存在差異(比如說溫度過高或者下雨后)應對其含水量進行重新測試，并根據實測含水量實時調整配合比，以保證混凝土的澆注質量。箱梁混凝土材料控制和配合比優化的主要原則如下:

1)為增加混凝土的早期強度、減少水化熱及由此導致的溫差引起的早期裂縫，減少水化時引起的收縮裂紋，建議在薄壁箱梁混凝土施工時選用初凝時間較長、水化熱低、收縮小、含堿量較低的高品質水泥。

2)依據《公路橋涵施工技術規范》(JTJ 041－2000)［4］的要求，嚴格控制粗骨料的含泥量，有機質、硫化物及云母等雜質的含量，砂、石的含泥量應根據控制在1%以內。

3)為獲得較小的混凝土空隙率及表面積，應控制骨料級配，應該選取強度高、級配好的骨料，從而減小混凝土的內部缺陷，提高混凝土的質量，避免因缺陷導致應力集中而產生裂縫。

4)嚴格控制好水泥用量，在達到強度要求的基礎上盡量少用水泥，以免產生因水泥用量過多導致的收縮裂紋、水化熱裂縫等現象。

5)選擇合適的外加劑，如膨脹劑、減水劑、緩凝劑等，起到增加和易性、增加強度、改善塑性的作用。另外，為減小水泥用量，可在箱梁混凝土中摻入一定量的粉煤灰，以提高其密實度，降低收縮值。

1.2 優化配合比

對于強度較高的混凝土(一般對于強度等級大于C50的混凝土)，應根據箱梁混凝土技術參數要求、使用原材料情況和設計參數的確定，從水膠比、膠凝材料總用量及粉煤灰摻量等參數上變化設置10組以上配合比，對10組配比進行分析、比較。以某主跨154 m的連續梁橋為例，該橋箱梁混凝土強度等級為C55，優化和配合比為:水泥∶粉煤灰∶砂∶碎石∶水∶外加劑 =353∶116∶730∶1 121∶142∶5.159(kg/m3)。最優配合比下拌合物及混凝土性能見表1。

利用該配合比進行該大橋施工，效果良好，主要表現在以下幾個方面:

1)標養和現養條件下混凝土28 d的立方體抗壓強度分別為 74.9 MPa 和69.2 MPa。

2)混凝土入模溫度較低，腹板混凝土澆筑后的絕對溫升不大，水化過程中箱梁內外溫差很小，箱梁混凝土水化熱并不會導致裂縫的出現。

3)施工過程中及成橋后均無可見裂縫產生。

1.3 采用大剛度掛籃

該橋掛籃主桁系統采用三角形，桿件由H600型鋼加工而成，型鋼兩側各貼鋼板形成箱形截面桿件，各桿之間通過箱式節點板及材質30CrMnTi和45#鋼的銷子連接。平聯采用槽鋼組焊，通過銷軸連接主桁，以提高主桁的整體穩定性和剛度。模板重量和澆筑混凝土階段混凝土的重量由掛籃前吊桿和后吊桿承擔。主要技術參數如表2所示。

表2 本掛籃主要技術指標

掛籃是大跨預應力混凝土連續梁橋施工時混凝土階段混凝土澆注時的重要工作平臺和承重構件，其強度、剛度及穩定性對懸臂澆注施工橋梁的混凝土澆注質量和整體安全非常重要，因此在掛籃使用前對其預壓是十分必要的，預壓結果表明，本次掛籃預壓得到的掛籃彈性變形為18 mm，不可恢復的非彈性變形為4.5 mm，殘余變形值較小，表明該掛籃的彈性性能和恢復性能良好。大剛度掛籃可以很好的抑制箱梁混凝土的早期裂縫。

1.4 規范澆筑工藝，加強現場養護

1.4.1 澆筑工藝

1)澆注混凝土前，應對支架、模板、鋼筋和預應力筋進行檢查，符合要求后方可澆注混凝土。用與混凝土攪拌用水清洗模板內的雜物。澆注混凝土前，對混凝土的坍落度和均勻性進行檢查。

2)冬季施工時，混凝土拌合物的出機溫度不宜低于10℃，入模溫度不得低于5℃。

3)熱期施工時，混凝土的澆注溫度應控制在32℃以下，宜選在一天溫度較低的時間內進行。

4)自高處向模板內澆注混凝土時，為避免混凝土發生離析，澆注高度應符合下列要求:

①傾落高度不應超過2 m;

②當傾落高度超過2 m時，應通過串筒或溜管等設施下落;傾落高度超過10 m時，應設置減速裝置;

③在串筒出料口下面，混凝土堆積高度不宜超過1 m。

5)混凝土應按一定厚度、順序和方向分層澆筑，應在下層混凝土初凝之前澆注完成上層的混凝土。混凝土分層厚度不宜超過表3的規定。

表3 混凝土分層澆筑厚度

另外，不得使用局部已硬化的混凝土、加水重拌的混凝土以及初凝后再次攪拌的混凝土。當采用插入式振動器時，振動棒應選用50型或70型。鋼筋密集處和狹窄處可選用30型振動棒進行振搗，確保振搗全面到位。混凝土的振搗宜符合下列規定:

1)為消除上、下兩層之間的接縫，振動棒應插入到新澆混凝土底部并進入到下層混凝土150 mm左右，同時應將振動棒上下抽動，持續時間宜為5～10 s，使混凝土接觸面密實。

2)根據現場混凝土坍落度情況，確定合理的振搗時間，對于坍落度在60～80 mm的混凝土，一般每點振搗時間控制在20～30 s左右，對于坍落度較大的泵送混凝土，一般每點振搗時間控制在15～20 s左右，避免振搗不充分或者過振。

3)混凝土塑性沉降裂縫易出現在流動性較大的混凝土特別是泵送混凝土中。為防止塑性沉降裂縫的出現，對于坍落度大于100 mm的混凝土，應在混凝土澆注完畢、初凝完成之前對頂層混凝土進行復振，振搗時間宜為10～15 s。

4)若構件表面浮漿較厚，可采取可靠措施及時將浮漿清除。尤其要注意預應力齒板處的振搗，此處局部配筋密集，不易振搗密實，容易在張拉時產生荷載裂縫。振搗時應注意振搗器不能直接接觸波紋管，以避免波紋管破裂或者產生較大的變形。

1.4.2 養護工藝

規范現場混凝土澆筑工藝的同時，還應該加強養護工作，結合薄壁箱梁混凝土的特點，形成一套完善的養護措施:

1)應根據混凝土施工時間的長度，確定混凝土攪拌及運輸的方案，避免混凝土在運輸過程中水分蒸發過多，導致塌落度降低，和易性變差，進而影響施工，發生泵送混凝土的堵管現象。混凝土一次不宜澆注過多，以免水分蒸發，發生因施工不當導致的不規則裂紋。

2)箱梁截面一般較高，在高度方向通常會分層澆注，這是兩層的結合面應充分鑿毛，另外，分段澆注混凝土的端面也應該嚴格按規范執行，以免混凝土結合界面產生裂縫。

3)振搗混凝土應嚴格按《公路橋涵施工技術規范》(JTJ 041－2000)［4］執行，避免過振導致混凝土離析、漏振及振搗不密實導致混凝土內部產生空洞或孔洞，影響混凝土施工質量，受力后應力集中，產生裂縫。

4)澆筑完畢后，應及時對其加以覆蓋并保濕養護，頂板和底板表面，采用塑料薄膜或者土工布;溫度低于5℃時，應采用棉被覆蓋，以確保混凝土養護到位。

5)懸臂澆注施工的關鍵之一，在于合理控制拆模時間，依據現場混凝土的養護強度及彈性模量發展規律，建議箱梁施工時拆模時間應控制在4 d以上。

1.5 降低混凝土的水化熱

我國《公路橋涵施工技術規范》(JTJ 041－2000)［4］指出:大體積混凝土是指最小邊尺寸在1～3 m范圍內的混凝土。日本建筑學會標準(JASS5)［5］認為:“結構斷面最小尺寸在 0.8 m 以上，若水化熱導致的內外溫差大于25℃，可以稱之為大體積混凝土。”桂平郁江特大橋箱梁0#塊及1#塊梁段腹板、底板的厚度均接近1 m，可以認為其為大體積混凝土，因此，混凝土早期水化熱不容忽視，如果養護措施不到位，極易產生混凝土開裂。因此控制水化熱是十分有必要的［5，6］。水泥水化熱將導致混凝土內部溫度上升，使得構件內存在內表溫度差。控制水化熱導致溫差過大引起箱梁開裂的主要措施如下:

1)減小水泥用量，在保證混凝土強度的前提下，限制水泥用量，并且選擇水化熱低的水泥品種。

2)采取合理的養護措施，加強混凝土的表面保溫，減小混凝土內外溫差，冬季施工特別要注意對混凝土進行保溫養護。

3)規定合理的拆模時間，最后在現場試驗室進行混凝土強度發展曲線測試，依據混凝土強度發展曲線合理確定拆模時間，另外，如果遇到風力特別大或者溫度驟然變化，應更加注意拆模導致的溫度變化。

4)摻加適量的粉煤灰以減少水泥用量，是降低混凝土的水化熱導致的溫差過大，防止箱梁混凝土出現溫致裂縫最有效的方法之一。

1.6 嚴格控制張拉齡期

混凝土結構在施工過程中的力學表現，受諸多可變因素的影響，是最典型的慢速時變結構力學問題之一。混凝土材料的物理力學性能諸如混凝土抗壓強度、彈性模量等均隨著齡期的增長而不斷變化發展，尤以早期發展最為迅速。

我國設計規范［7］缺少對混凝土強度發展規律的描述，而混凝土薄壁箱梁一般采用強度較高(高于C50)的混凝土，這類混凝土的強度及彈性模量的發展規律直接影響施工期間混凝土的設計方法和施工工藝，因此有必要對混凝土的早期強度進行研究。一般通過在現場及試驗室養護同批次的混凝土立方體和棱柱體試件，測試混凝土早期的強度及彈性模量發展曲線，然后依據實測曲線進行理論分析，進而確定混凝土的張拉齡期，避免因預應力過早張拉導致混凝土箱梁開裂。

根據實驗室標準養護和現場同條件養護下混凝土強度、彈性模量的發展曲線，測試結果表明:實驗室標準養護條件下的混凝土強度要高于現養條件對應的強度;自然養護時，棱柱體彈性模量發展速率較快;因此，實際施工過程中應預留現養試塊，并以此作為施工進度指導依據。

依據現場混凝土強度及彈性模量的測試結果:預應力不應過早張拉，應嚴格按照設計要求的7 d張拉齡期，進行預應力張拉。

1.7 保障預應力的有效性

腹板開裂是連續梁橋開裂最常見一種，豎向預應力能有效防止腹板開裂(有效預應力得到保證)。但目前工程中即便腹板設置豎向預應力，但還是普遍存在開裂現象，因此有必要對豎向預應力損失進行測試。結合桂平郁江特大橋預應力的的施工，建議采取的措施如下:

1)張拉前準備工作。準確定位預應力管道;配套標定油泵、油表、千斤頂等設備，防止張拉設備的誤差造成預應力張拉不到位。

2)嚴格按照設計圖紙和現場測試結果確定的張拉齡期進行預應力張拉。

3)根據現場條件，選取有代表性的鋼束進行現場預應力損失測定，并與設計提供的預應力損失進行比較，及時調整預應力設計及施工方案，確保鋼束中的有效預應力達到要求。

4)采取適當的措施，保證預應力孔道的灌漿質量，對于大跨預應力混凝土箱梁橋應采用真空灌漿，并對灌漿質量進行檢查。

5)對于長度較短的預應力鋼束，一般長度小于6 m的鋼束，應特別注意預應力的張拉質量，箱梁內長度較短的橫、豎向預應力可以采用二次張拉的錨具，以減小預應力損失。

2 箱梁裂縫評價和保證的成套體系

以該橋箱梁裂縫控制為研究背景，通過從原材料質量控制與優選、混凝土配合比設計與優選、箱梁混凝土合理施工與養護技術等方面的研究，提出箱梁裂縫控制評價和保證體系，如圖1所示。

圖1 箱梁裂縫控制評價和保證體系

3 結論

本文結合高強混凝土薄壁箱梁的特征提出大跨預應力混凝土箱梁橋施工質量控制措施:

1)控制原材料質量;

2)優化配合比;

3)規范澆注及養護工藝;

4)嚴格控制張拉齡期;

5)保證有效預應力的大小。

形成了箱梁裂縫控制評價和保證體系，可供同類橋梁參考。

［1］呂志濤，劉 釗，孟少平.淺論我國預應力混凝土梁橋的技術與發展［J］.橋梁建設，2001(1):52－56.

［2］ACI Committee 224.Control of cracking in concrete structures［R］.American Concrete Institute，2001.

［3］Transportation research board of the national academies.Control of Cracking in Concrete［R］.Transportation research circular E－C107，Washington，DC，2006.

［4］JTJ 041－2000，公路橋涵施工技術規范［S］.

［5］日本建筑學會.日本建筑學會標準(JASS5)［Z］.2003.

［6］朱伯芳.水工混凝土的溫度應力與溫度控制［M］.北京:水利水電出版社，1976.

［7］JTG D62－2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］.