大噸位預制箱梁早期裂紋成因及防治措施

管昱華

（中鐵二局集團新運工程有限公司，四川成都 610031）

?

大噸位預制箱梁早期裂紋成因及防治措施

管昱華

（中鐵二局集團新運工程有限公司，四川成都 610031）

摘要：大噸位整孔預制箱梁由于體量龐大及水泥用量高等特點易產(chǎn)生早期裂紋，影響箱梁的力學性能及耐久性能。文中依托某高速公路項目實際工程，分析了預制箱梁不同種類早期裂紋的產(chǎn)生原因，并結(jié)合施工經(jīng)驗，分別從砼工藝、鋼筋保護層厚度控制、預張拉前后模板工藝及砼養(yǎng)護工藝和預應力張拉工藝調(diào)整等方面進行優(yōu)化改進，提出整改措施，預防大噸位預制箱梁早期裂紋的產(chǎn)生。

關(guān)鍵詞：橋梁；大噸位預制箱梁；早期裂紋；防治措施

近年來，中國高速公路事業(yè)發(fā)展迅速，施工技術(shù)及質(zhì)量標準不斷提高。大噸位預應力砼整孔預制箱梁以其結(jié)構(gòu)剛度大、整體性好、工程質(zhì)量可靠及快速施工等特點，在高速公路建設中得到較廣泛應用。但由于大噸位整孔預制箱梁體量龐大、水泥用量高等特點導致砼早期產(chǎn)生裂紋，影響箱梁的力學性能及耐久性能，進而影響橋梁的安全運營。因此，如何采取合理有效的措施預防早期裂紋的產(chǎn)生，消除安全隱患，保證橋梁施工的安全可靠顯得尤為重要。

1　工程概況

某高速公路工程全程高架，除部分采用現(xiàn)澆整體箱梁外，大部分采用工廠化分幅集中預制箱梁。箱梁采用C50砼，其典型35 m預制箱梁外形尺寸如圖1所示，箱梁重約800 t。

圖1　預制箱梁外形尺寸（單位：cm）

該預制箱梁預應力施工分為預張拉、初張拉及終張拉3個階段，預應力鋼束布置如圖2所示，張拉方案如表1所示。

2　早期裂紋成因分析

該工程首制2片箱梁在內(nèi)模脫出后內(nèi)箱均發(fā)現(xiàn)裂紋：第一片內(nèi)箱頂板至腹板豎向裂紋4處、長懸臂翼板下斜向裂紋2處（如圖3～5所示），第二片內(nèi)箱頂板至腹板豎向裂紋9處、長懸臂翼板下斜向裂紋1處、不規(guī)則裂紋1處（如圖4～8所示）。下面結(jié)合以往施工經(jīng)驗及相關(guān)理論分析箱梁裂紋的成因。

圖2　預應力鋼束布置（單位：cm）

表1　預應力鋼束張拉方案

圖3　第一片箱梁長懸臂側(cè)腹板裂紋位置示意圖（單位：cm）

圖4　第一片箱梁短懸臂側(cè)腹板裂紋位置示意圖（單位：cm）

2.1內(nèi)箱頂板至腹板豎向裂紋的產(chǎn)生原因

（1）砼配合比。對2片箱梁腹板主要3個斷面（T40、T60、T110）水化熱溫度場進行監(jiān)測，腹板最厚處（T110斷面）溫度最高，最高溫度分別為74.5 和75.6℃，且水化熱高溫出現(xiàn)時間早，持續(xù)時間長（70℃以上高溫持續(xù)超過24 h）。水化熱峰值過高、局部溫度應力偏大是造成砼開裂的原因之一。

（2）砼保護層厚度。該預制箱梁內(nèi)箱腹板砼保護層厚度設計為3 cm，而現(xiàn)場通過鋼筋保護層測厚儀測量，第二片箱梁內(nèi)箱長懸臂側(cè)變截段處保護層厚度普遍達到5 cm。保護層厚度超標，鋼筋對于砼的變形約束減小，導致第二片箱梁內(nèi)箱長懸臂側(cè)變截段處豎向裂紋比第一片梁多。

（3）預應力預張拉。大噸位預制箱梁可通過預張拉預防梁體早期砼裂紋的產(chǎn)生。該高速公路箱梁在預制過程中亦采用預張拉工藝，但仍有裂紋產(chǎn)生，其原因可能是預張拉應力偏小，砼壓應力不足，不能遏制砼表面裂紋的產(chǎn)生，預張拉未達到預期效果。

（4）內(nèi)箱齒板模型對梁體的約束作用。大噸位預制箱梁設計為帶模預張拉，與傳統(tǒng)鐵路預制箱梁不同的是該箱梁內(nèi)箱預留后期結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換張拉齒板，預張拉時內(nèi)箱齒板模型緊貼相鄰的齒板和梁體砼面，由于內(nèi)箱齒板模型對梁體的約束作用，導致預張拉時齒板模型消耗一定的預壓應力，使砼向中部的預壓應力傳遞減小，導致產(chǎn)生裂紋。

圖5　第一片箱梁翼緣板下裂紋位置示意圖（單位：cm）

圖6　第二片箱梁長懸臂側(cè)腹板裂紋位置示意圖（單位：cm）

圖7　第二片箱梁短懸臂側(cè)腹板裂紋位置示意圖（單位：cm）

圖8　第二片箱梁翼緣板下裂紋位置示意圖（單位：cm）

2.2內(nèi)箱不規(guī)則裂紋的產(chǎn)生原因

不規(guī)則裂紋主要表現(xiàn)為干縮裂紋，因該箱梁噸位大，結(jié)構(gòu)非對稱，箱內(nèi)結(jié)構(gòu)復雜，導致脫內(nèi)模時間過長，造成內(nèi)箱表面砼長時間暴露，若人工灑水養(yǎng)護不到位，砼表面將嚴重失水，且箱內(nèi)外、砼表面與環(huán)境溫度相差過大，砼內(nèi)、外收縮變形不一致，當砼變形產(chǎn)生的收縮應力大于砼的抗拉強度時，將導致砼表面開裂。

2.3長懸臂翼板下斜向裂紋的產(chǎn)生原因

該箱梁預張拉、初張拉均在制梁臺位固定式底側(cè)模上進行，由于該箱梁長懸臂長度過大（達3.8 m），在預應力張拉過程中，固定式底側(cè)模限制了長懸臂翼緣板向下變形的趨勢，導致箱梁端頭翼緣板下集中受力，長懸臂翼板下產(chǎn)生斜向裂紋。

3　防治措施

針對上述成因，結(jié)合多年施工經(jīng)驗，分別從砼工藝改進、鋼筋保護層厚度控制、預張拉前后模板工藝及砼養(yǎng)護、預應力張拉工藝調(diào)整等方面進行優(yōu)化改進，采取措施預防早期裂紋的產(chǎn)生。

3.1砼工藝方面

（1）該箱梁采用C50砼，通過試拌對配合比進行再優(yōu)化調(diào)整，降低水化熱峰值和速率。1）新增砼配合比（PHB15-003-1）。一是對減水劑進行調(diào)試，增加緩凝成分，增大初凝及終凝時間，在此基礎上進行試拌驗證，查看配合比的凝結(jié)時間；二是增大粉煤灰用量、減少礦粉用量，砂率降低為38%，其他材料品種及用量與PHB-003（前2片梁配合比）相同（如表2所示）。2）砼澆筑過程中，加強振搗工藝以減少水化熱，提高砼的密實性和抗拉強度。

表2　優(yōu)化C50砼理論配合比

3.2鋼筋保護層厚度控制

（1）施工過程中對鋼筋骨架尺寸進行嚴格控制，確保骨架及鋼筋輪廓尺寸滿足保護層要求。

（2）底腹板筋入模后，對腹板外側(cè)鋼筋保護層情況進行檢查，并測量腹板、底板鋼筋輪廓至外模的尺寸，以核實腹板內(nèi)側(cè)保護層是否滿足要求。內(nèi)模吊入后再次核實，特別是變截段處保護層厚度，確保保護層超差在設計范圍內(nèi)。

3.3預張拉前后模板工藝及養(yǎng)護整改措施

箱梁預制完成后，由于前期凝結(jié)固化，砼水化熱劇烈反應，導致箱梁溫度應力變化劇烈。加上前期砼未受到外界施加的預應力，極易產(chǎn)生裂紋。故該階段模板安裝、拆除工藝及砼養(yǎng)護是防治裂紋產(chǎn)生的重要因素之一。

（1）箱梁預制模板均為新制鋼模，側(cè)模與底模采用整體焊接固定于制梁臺座，內(nèi)模采用液壓式，齒塊處模板人工安裝、拆除，實現(xiàn)內(nèi)模整體安裝及脫模。在側(cè)模外側(cè)安裝彩鋼板密封兩側(cè)翼緣板下模板空間，控制砼澆筑后腹板外側(cè)與環(huán)境間的溫差（如圖9所示）。

（2）為減少預張拉時內(nèi)模及齒板模板對箱梁的約束，在內(nèi)模變截面及齒板處設置壓縮橡膠條，預張拉前取出壓縮橡膠條，以減少預應力損失。

圖9　側(cè)模彩鋼板封閉兩側(cè)翼緣板下模板空間

（3）盡早脫除端模，砼強度大于10 MPa后及時進行，脫模后采用噴霧霧化進行保濕養(yǎng)護，嚴禁直接用水噴灑砼面。

（4）端模拆除后，拆除內(nèi)模小件固定螺栓，并在預張拉前將內(nèi)?？卓诩白兘孛婺０逅砷_，以防止內(nèi)模對梁體的約束，此時內(nèi)模高度不能下降。作業(yè)人員進入內(nèi)箱前，對內(nèi)箱適當通風，內(nèi)模模板面收起后禁止通風，應立即用高壓清洗機將噴頭調(diào)成噴霧狀態(tài)對砼面適當濕潤。

（5）在預張拉前，將梁端4 m范圍內(nèi)翼板模型松開10 mm，以防預張拉過程中及預張拉后梁端翼緣板受力。

（6）內(nèi)模卷起前對砼芯部與表層、箱內(nèi)與箱外、表層與環(huán)境溫差進行檢查確認，小于15℃時方可進行拆模。溫差超過要求時不得脫模，需采取逐漸通風、噴霧等降溫措施進行降溫處理，降溫速度不超過10℃/h。溫差達到要求后方可拆模，氣溫急劇變化時不應脫模。

（7）內(nèi)模拉出后，用篷布將孔口遮蓋，防止穿堂風造成箱內(nèi)溫度驟降。

（8）內(nèi)模脫出后嚴禁用水直接沖刷砼面，應采用高壓水槍調(diào)成噴霧狀態(tài)對腹板進行養(yǎng)護，保持腹板砼面濕潤即可。當養(yǎng)護用水與砼表面溫差在10℃以下時，方可直接灑水養(yǎng)護。噴霧養(yǎng)護或灑水養(yǎng)護頻率不少于1次/h，以砼面保持濕潤為度。

3.4預應力張拉工藝

通過預應力預張拉可有效預防砼早期裂紋的產(chǎn)生，但預張拉應力過小則達不到預張效果，預張拉應力過大則會導致砼變形甚至損壞。因此，合理的預張拉方案對早期裂紋的控制尤為重要。

通過有限元軟件計算分析，該箱梁原設計方案預張拉應力過小，需提高預張拉應力。將預張拉方案進行調(diào)整（如表3所示），并對原設計及調(diào)整后的預張拉方案分別進行檢算。

表3　預制梁預應力束張拉順序及控制應力

對調(diào)整前后預制箱梁預張拉方案進行檢算，結(jié)果表明：采用原設計預張拉方案，當預制梁的砼澆筑完成、縱向預應力鋼束預張拉完成后，梁體的變形很小，最大變形為1.29 mm；各控制截面縱向基本受壓應力的作用，最大壓應力為1.12 MPa。采用調(diào)整后預張拉方案，當預制梁的砼澆筑完成、縱向預應力鋼束預張拉完成后，梁體的變形很小，最大變形為1.28 mm；各控制截面縱向基本受壓應力的作用，最大壓應力為1.49 MPa。調(diào)整后，梁體的變形很小，各控制截面縱向基本受壓應力的作用，調(diào)整后跨中斷面縱向壓應力增加0.37 MPa。

同時，根據(jù)鐵路預制箱梁施工經(jīng)驗，參考鐵路相關(guān)規(guī)范要求，為保證及時預張拉，將預張拉時砼強度調(diào)整為砼設計強度的50%（原設計為60%）。

4　優(yōu)化改進效果

對6片箱梁改進后效果進行觀測，結(jié)果如下：

（1）調(diào)整砼工藝后，T110斷面水化熱最高溫度62.1～66.7℃，高溫持續(xù)時間為16～18 h，有效降低了水化熱峰值和速率。

（2）內(nèi)箱鋼筋保護層厚度合格率達到90%以上，且最大不超過40 mm。

（3）改進養(yǎng)護措施后未見內(nèi)箱表面不規(guī)則收縮裂紋。

（4）預張拉前取出橡膠條，并按調(diào)整后的預張拉方案進行張拉，效果良好，梁體變形在設計范圍內(nèi)，且脫內(nèi)模后內(nèi)箱未見豎向裂紋。

（5）預張拉前翼板模型松開后，預張拉、初張過程中梁端翼板未受力，箱梁提出后未見斜向裂紋。

在該高速公路工程后續(xù)箱梁批量生產(chǎn)過程中，均按上述整改措施進行施工，杜絕了早期裂紋的產(chǎn)生，證實上述改進措施切實可行，可為類似工程提供參考和借鑒。

參考文獻：

［1］ 呂忠達.杭州灣跨海大橋關(guān)鍵技術(shù)研究與實施［J］.土木工程學報，2006，39（6）.

［2］ 譚國順.低強早期張拉控制預應力混凝土梁裂縫施工技術(shù)［J］.橋梁建設，2007（1）.

［3］ 睢力強.預制箱梁頂板裂縫成因及防治措施分析［J］.交通標準化，2014（1）.

［4］ 孫金更.鐵路箱梁靜載試驗開裂原因分析及控制措施［J］.鐵道標準設計，2015（7）.

［5］ 周緒紅，呂忠達，狄謹，等.大跨徑簡支轉(zhuǎn)連續(xù)箱梁橋的線形觀測與控制［J］.中國公路學報，2007，20（3）.

［6］ 李彥兵.預應力混凝土箱梁橋開裂原因分析與防治措施［J］.公路，2006（8）.

［7］ 張仁峰，劉洪成.淺談混凝土預制箱梁施工中常見的質(zhì)量缺陷及其防治措施［A］.建設工程理論與實踐（第二輯）［C］.2005.

中圖分類號：U445.7

文獻標志碼：A

文章編號：1671-2668（2016）03-0226-05

收稿日期：2016-02-08