大跨徑預應力混凝土連續梁施工裂縫控制

姚利郎

（山西省交通建設工程監理有限責任公司，山西 太原 030012）

1 概述

預應力在混凝土結構中的應用，解決了公路橋梁大跨徑技術瓶頸，預應力結構通過高強鋼筋對混凝土的預壓，不僅充分發揮了高強材料的特性，而且提高了混凝土的抗裂性能，從而可使結構跨徑大幅提高。近年來我國建成了多座代表性的大跨徑橋梁，由于混凝土結構中三向預應力的應用，使混凝土結構受力更加復雜，造成橋梁在建設、營運過程出現許多裂縫質量病害[1]。橋梁混凝土結構裂縫，輕則影響使用壽命，重則危及結構安全，主梁應力裂縫是品質工程時代大型橋梁工程亟待解決的關鍵技術之一。

預應力混凝土連續梁橋裂縫產生原因是多方面的，涉及預應力、模型驗算、構造配筋、混凝土配合比、施工工藝、環境條件、日常養護等多方面。橋梁上部混凝土預應力結構中，縱向預應力用于抵抗縱向受拉和部分剪力；豎向預應力用于抵抗受剪；橫向預應力用于抵抗橫向受彎。豎向預應力能夠提供混凝土箱梁腹板豎向壓力儲備，改善腹板混凝土豎向應力。混凝土的收縮徐變，預應力的張拉錨固等施工過程，都會產生預應力損失，徐變還會引起結構次內力，可能導致腹板斜裂縫出現。

本質上講，混凝土箱梁出現結構性裂縫（受力裂縫），都是由于其拉應力超過混凝土的極限抗拉強度，或結構拉應變超過了混凝土材料容許應變極限，即混凝土結構抗變形能力不能滿足實際需求所引起[2]。混凝土結構裂縫按產生原因可分為荷載裂縫和變形裂縫兩大類，荷載包括橋梁自身重量靜載、鋼筋預應力和運營車輛的動載，統計表明，荷載裂縫一般占裂縫總數20%；變形裂縫主要指溫度、收縮、基礎不均勻沉降引起的裂縫，占裂縫總數80%[3]。

本文依托實體工程，對大跨徑懸臂預應力混凝土箱梁，施工過程經常出現的腹板裂縫質量病害，通過裂縫狀況歸類，原因分析，采取應對措施，附以量測驗證，進行有效性檢驗，指導后續施工，達到減少或消除腹板裂縫，提高結構的耐久性，實現品質工程目標。

2 依托工程結構特點

某黃河特大橋全長2.133 km，橋面凈寬2×14.75 m，上部結構主橋采用（82.68+4×152+82.8）m預應力混凝土連續梁-連續剛構組合體系，下部構造主墩采用空心薄壁墩，樁基礎采用鉆孔灌注樁基礎。連續梁-連續剛構組合體系橋是連續梁和連續剛構的組合體系。通常是中間跨且橋墩較高的數孔采用墩梁固結的剛構體系，邊上幾孔則采用連續體系。該主梁橋墩全橋統一編號為8～14號墩，其中8號、14號為交界墩，9號、12號、13號為球型支座連續墩，10號、11號為與主梁固結的剛構墩。主橋上部采用雙幅設置，單幅主梁截面形式為單箱單室，頂板寬15.75 m，底板寬8 m，翼緣板懸臂長3.875 m，墩頂0號塊梁高9.5 m，跨中合攏段梁高3.4 m，主墩根部至跨中合攏段梁高按1.7次拋物線變化。懸臂梁段頂板厚度32 cm，底板厚度32～90 cm，腹板厚度50～70 cm，0號塊頂板加厚至50 cm，底板加厚至120 cm，腹板加厚至105 cm。箱梁頂設2%橫坡，梁底保持水平，兩側腹板不等高。

3 主梁0號梁段裂縫控制

根據主梁0號塊段結構特點，混凝土強度等級高（C55），結構層厚度較厚，底板 120 cm，腹板105 cm，大于大體積混凝土最小控制厚度100 cm限值，結構內部鋼筋配筋率高達0.15，預應力管道密集，采用托架工藝，墩體與托架共同承受結構荷載。控制混凝土水化熱溫度應力，增大混凝土流動性能，保證預應力張拉時混凝土強度，將是混凝土澆筑成功，避免結構裂縫的關鍵。

3.1 原材料選擇

水泥選用內蒙天皓P.052.5，主要控制指標，抗壓強度 R28穩定在 55～58 MPa，比表面積 As≤360 m2/kg；碎石采用5～25 mm連續級配，壓碎值小于等于20%；細集料采用機制砂與天然砂組成混合砂，主控細度模數Mx在2.72±0.05，0.6 mm孔通過率18.0%～23.0%；粉煤灰Ⅰ級，主控活性指數大于等于80%；外加劑ART-2高性能減水劑，主控減水率在28%～30%，塌落度損失1 h不大于30 mm。

3.2 配合比設計

重視耐久性，總堿含量、氯離子含量符合特殊結構橋規規定，降低水泥用量，控制水化熱溫升，保證新拌混凝土黏聚適中，和易性良好，減少溫差裂縫。專題研究，優化試配強度富余系數，根據前期混凝土強度統計分析，調整配合比設計控制參數，28 d控制強度59.0～62.0 MPa，56 d控制強度滿足設計規程試配要求64.9 MPa。混凝土入模塌落度160～210 mm，水膠比（W/B）不大于 0.38，流動度 450～550 mm。試驗確定0號塊C55混凝土設計配合比水泥∶粉煤灰∶細集料∶碎石∶水∶減水劑∶聚丙烯纖維 =376∶106∶683∶1 091∶164∶6.51∶0.9。R28=62.1 MPa，R56=65.5 MPa，28 d 齡期抗壓彈性模量 Ec=46.3 GPa，水膠比 W/B=0.34，堿含量 R2O=1.600 kg/m3，氯離子含量CL-=0.045%。

3.3 控制裂縫技術措施

a）減小水泥用量376 kg/m3，增加粉煤灰摻量22%，控制水化溫升，穩定膠凝材料總量482 kg/m3保證設計強度。

b）優化水泥技術指標，控制比表面積不大于360 m2/kg，推遲水化熱溫度峰值時間，減小凝結過程混凝土收縮，提高混凝土抗裂性能。

c）細集料采用混合砂，保持可泵流動性，提高混凝土強度，控制水泥用量。

d）混凝土中摻加0.9 kg/m3的聚丙烯纖維，增大混凝土的容許極限應變，合理控制彈性模量，改善和易性，提升抗裂能力[4]。

e）在0號塊結構底部及腹板外側鋼筋保護層混凝土內增設D8 CRB500 100×100焊接鋼筋網片，分散混凝土表面應力，減少因應力集中導致的結構表面裂縫。

4 懸臂施工梁段裂縫控制

懸臂澆筑屬于典型的自架設施工方法，由于連續梁橋、連續剛構橋在施工過程中的已成結構（懸臂節段）狀態是無法事后調整的，采用懸臂施工技術的大跨度橋梁，施工中的不合理誤差狀態如不能及時地加以識別和處理，主梁應力發生積累，達到超出設計安全狀態而發生施工事故。懸臂施工階段控制關鍵為：結構線形、內力動態監測及時修正，混凝土泵送性好可泵時間長，按設計成橋周期，節段混凝土預應力張拉時間宜控制在5 d內，配合比早期強度及彈性模量增長要快，預應力施加次序合理、加載量控制精準，結構預應力損失小、效能高。

4.1 原材料控制

在0號梁段材料基礎上，細集料加強含水率波動控制，增加混凝土的可泵性，外加劑加強減水率穩定及塌落度損失的控制，粉煤灰重點控制活性指數不得小于80%，保證混凝土早期強度增長。

4.2 配合比設計

根據自架設工藝特點，后續塊段靠前面施工結構承載，結合合同工期，混凝土設計條件確定為：5 d齡期，抗壓強度達到設計90%，彈性模量不低于設計標準值35.5 GPa，滿足工序轉換條件；入模塌落度160～200 mm，保證澆筑混凝土和易可泵，整體均勻不離析，試驗表明塌落度大于200 mm時，混凝土容易產生離析現象。主梁懸臂施工C55設計配合比為：水泥∶粉煤灰∶細集料∶粗集料∶水∶減水劑 =393∶86∶685∶1 093∶163∶6.23。

4.3 裂縫控制措施

前期主梁1～4號節段混凝土施工中，在現澆箱梁38個塊段腹板內側發現23道裂縫，其中19道在預應力槽口下方，與下彎預應力束基本平行的向上斜裂縫，位置距塊段前端50～70 cm，延腹板向后展開，長度30～200 cm，出現時機在縱向預應力束張拉以后；1道水平裂縫，與施工縫重合，長度較短20～30 cm，縫中伴有白色膠凝物析出；3道豎向裂縫，與結構中豎向預應力鋼筋孔道平行，長度280～400 cm，寬0.09 mm。經分析采取以下技術措施：

a）腹板內側槽口以下增設D8 CRB550 100×100焊接鋼筋網片，用于分散混凝土表面應力集中。

b）通過專題研討，經設計驗算確認，調整預應力張拉次序。由先縱向后豎向再橫向，調整為先豎向后縱向再豎向再橫向，優化豎向預應力施加時機[5]。豎向預應力先于縱向預應力按雙80（混凝土強度80%，預應力施加80%）預張拉，預先給腹板混凝土部分豎向壓力儲備，用于平衡超靜定體系底板對腹板的負彎矩效應，及張拉縱向預應力時因剛束多且下彎角度大而產生較大的豎向分力（水平夾角大于30°）而在錨固面下方產生的拉應力，隨后進行縱向預應力張拉及掛籃移動等工序施工。正常施工3個節段后，也即混凝土齡期到27～33 d，再進行腹板預應力二次張拉至設計荷載，以及橫向預應力張拉，用于補償混凝土強度形成過程的徐變及施工過程引起的預應力損失，同時平衡結構內力。

c）細化材料穩定性控制，重視混凝土的可泵性，嚴控離析，入模塌落度不得大于200 mm。

d）加強振搗，尤其底板與腹板交界處和改變混凝土澆筑入模時的結合面，振搗棒需有效插入下層重塑混凝土，消除分層可能引起的水平裂縫。

e）控制早期應力，加強對豎向波紋管的定位準確性控制，消除因軸線變化造成的附加應力，尤其豎向預應力精軋螺紋鋼大于7.5 m較長靠前主梁節段，消除腹板豎向裂縫。

f）建議必要時在混凝土配合比中增加聚丙烯纖維，適當降低混凝土彈性模量，增加容許應變，提高混凝土自身抗裂能力。

4.4 代表性斷面監控量測

在主梁懸臂施工過程中，根據施工進展，進行了以下應力監測，每個斷面布設5個應力測點，布設位置見圖1，頂板、底板應力測試結果見圖2～圖5。

圖1 主梁應力測點布置（單位：cm）

圖2 11號墩主梁1號塊河曲向截面應力曲線

圖3 11號墩主梁1號塊內蒙向截面應力曲線

圖4 12號墩主梁1號塊截面河曲向應力曲線

圖5 12號墩主梁1號塊截面內蒙向應力曲線

從主梁應力隨施工過程實測數據看，主梁關鍵斷面懸臂根部截面應力為壓應力，實測值較理論值差距不大，11號墩最大壓應力出現在9號墩、12號墩固結解除到掛籃拆除（三次合攏）之間，頂板為14.83 MPa；12號墩最大應力出現在12號墩與11號墩中跨合攏（二次合攏）后，頂板為19.89 MPa，都小于容許應力（24.85 MPa），表明主梁施工期應力處于安全狀態。

4.5 實施效果

統計代表性的主梁懸臂混凝土塊1～4號節段總計80個塊段，前期常規工藝施工38個塊段混凝土，出現裂縫23條，裂縫率60.5%；采取除改變張拉次序外技術措施后，施工42個塊段混凝土，出現裂縫9道，但裂縫相比前階段變細變短，裂縫率21.4%，說明以上措施可有效控制裂縫，但并非關鍵因素能消除裂縫；經與設計代表專題研討，改變設計預應力張拉次序，先進行豎向預應力筋預張拉80%后，再進行縱向預應力束張拉，及滯后3個節段進行橫向、豎向預應力束張拉。施工9號墩到13號墩主梁混凝土1～19號塊剩余300個箱梁節段。檢測統計10號墩右幅16號節段2道腹板斜裂縫，11號墩左幅17號節段2道腹板斜裂縫，裂縫率4/300=1.33%，基本消除腹板斜裂縫。

5 試驗成果

a）根據混凝土結構特點，結合施工工藝，進行配合比專項設計，采用高性能混凝土體系，0號梁段加大粉煤灰用量，提高和易性，控制水化熱溫升，有效減少溫差裂縫；懸臂梁段，優化細集料級配，增加可泵性，重視外加劑穩定性控制，提高早期強度，方便工序轉換。

b）0號梁段采取控制水化熱，底部及腹板外部設鋼筋網片，配合比摻聚丙烯纖維綜合措施，混凝土沒有出現結構應力裂縫及變形裂縫。

c）懸臂梁段施工的箱梁（1～4號節段下彎預應力束水平夾角F1 45°F2 40°F3 30°F4 30°）腹板內側槽口下部，隨機出現順縱向預應力管方向的斜向裂縫。通過腹板內側預應力筋孔道下部增設鋼筋網片，腹板裂縫率由60.5%降低到21.4%，采取先豎向預張拉，優化張拉次序綜合措施后，裂縫率降低到1.33%，有效解決了腹板斜裂縫問題。

d）腹板斜向裂縫寬度量測在0.01～0.12 mm范圍，且隨主梁節段向前推進，監測截面總體受壓，腹板裂縫寬度變小，有愈合趨勢。

e）主梁混凝土箱梁根部截面，在主梁施工過程中，上下緣應力效驗系數小于1，且受力較小，表明主梁應力處于安全狀態。

6 成果應用

根據前期試驗，結合專題研討，確定懸臂梁（1～4號）節段采取在縱向波紋管下部增設100×100 D8 CRB鋼筋網片，同時所有后續節段，優化豎向預應力二次張拉控制，豎向精軋螺紋鋼預應力先于縱向預應力按雙80（混凝土強度80%，施加荷載80%）進行預張拉，第二次施加在混凝土施工3個階段后，齡期約27～33 d，彌補混凝土徐變及施工引起的預應力損失，及時壓漿。結合監控量測，進行動態監測，基本消除了施工期腹板斜裂縫及豎向裂縫。