摘 要：山西臨汾張臺地方鐵路海子溝大橋主跨為（48+80+48）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，主墩6#墩高度為59m，7#墩高度為70m，均為空心薄壁圓形墩。該橋?yàn)槿€的控制工程，高墩混凝土的施工質(zhì)量對該橋影響巨大。本文對空心薄壁墩裂縫成因進(jìn)行了分析，提出了預(yù)防措施，為今后的工程施工提供指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：薄壁墩；裂縫；成因；預(yù)防

1 引言

空心薄壁墩結(jié)構(gòu)以其墩受力合理、工程量少、對地基承載力要求不高等優(yōu)點(diǎn)，在橋梁設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用，但是空心薄壁墩結(jié)構(gòu)表面積相對更大，在施工及使用過程中容易出現(xiàn)裂縫，而薄壁墩一旦開裂，將對整個橋的耐久性、抗?jié)B抗腐性及美觀產(chǎn)生一定影響，整個橋的使用壽命也將大為縮減。因此研究空心薄壁墩裂縫的成因及其預(yù)防措施，成為工程界長期關(guān)注的問題。其中，武漢理工大學(xué)的蔣玉龍對寒冷干燥地區(qū)橋梁混凝土薄壁墩防裂技術(shù)進(jìn)行了研究，研究表明：混凝土的材料特性、混凝土配合比、施工過程和施工方法，都會對薄壁墩的裂縫開展產(chǎn)生影響；鄭州大學(xué)的史永濤對變截面空心薄壁墩混凝土的收縮徐變進(jìn)行了試驗(yàn)研究，建立了混凝土收縮徐變理論模型，給出了收縮徐變效應(yīng)對高墩變形、內(nèi)力重分布等方面的影響；中國長江三峽開發(fā)總公司王云等對雙河口特大橋杯形空心薄壁墩身底部裂縫的成因進(jìn)行了研究，并提出了相關(guān)的預(yù)防措施。

本文結(jié)合山西臨汾張臺地方鐵路海子溝大橋項(xiàng)目（見圖1），對空心薄壁墩裂縫形成的原因進(jìn)行了分析，并給出了設(shè)計(jì)階段和施工階段具體的預(yù)防措施。工程概況如下：山西臨汾張臺地方鐵路海子溝大橋孔跨布置為5-32m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁+（48+80+48）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)+2-32m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁，全橋共設(shè)2個臺9個墩，其中6#墩墩高59m，墩底為11.14m直徑的圓形，7#墩墩高70m，墩底為12m直徑的圓形，6#墩和7#墩墩頂均為直徑7.8m的圓形，該橋墩在澆筑實(shí)心段（4m，混凝土為方）的施工過程中出現(xiàn)細(xì)小的裂縫。

2 裂縫形成的原因分析

2.1 溫度

置于自然環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)，長期經(jīng)受自然界氣溫的變化和日輻射等劇烈作用。由于混凝土結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)性能差，其周圍環(huán)境氣溫以及日輻射等作用，將使表面溫度迅速上升或下降，但結(jié)構(gòu)的內(nèi)部溫度仍處于原來狀態(tài)，在混凝土結(jié)構(gòu)中形成較大的溫度梯度，混凝土結(jié)構(gòu)的各部分處于不同溫度狀態(tài)。由此產(chǎn)生的溫度變形，當(dāng)被結(jié)構(gòu)的內(nèi)、外約束阻礙時，會產(chǎn)生相當(dāng)大的溫差應(yīng)力。在橋梁結(jié)構(gòu)中，由于這種溫度荷載產(chǎn)生的應(yīng)力，有時甚至比荷載產(chǎn)生的應(yīng)力還要大，甚至使混凝土結(jié)構(gòu)物發(fā)生嚴(yán)重裂損。由溫度變化產(chǎn)生裂縫情況一般有以下兩種：（1）承臺（或基礎(chǔ)）澆筑與薄壁墩墩身澆筑間隔時間比較長。此種情況下，由于承臺（或基礎(chǔ)）澆筑時產(chǎn)生的溫度變形已經(jīng)趨于穩(wěn)定，薄壁墩墩身新澆混凝土在溫度應(yīng)力作用下，受到底板約束產(chǎn)生壓應(yīng)力，這時，由于早期混凝土彈模小、徐變度大還處在塑性狀態(tài)，壓應(yīng)力很快就被松弛掉，而當(dāng)混凝土溫度下降時，由于承臺（或基礎(chǔ)）對降溫引起的收縮的約束，混凝土內(nèi)部出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土極限抗拉強(qiáng)度時，薄壁墩墩身便會出現(xiàn)裂縫。（2）內(nèi)外溫差及氣溫驟降情況?；炷翝仓囟容^高，在早齡期遇晝夜溫差顯著或寒潮襲擊等內(nèi)外溫差較大的情況下，在混凝土表層引起急劇的降溫。由于混凝土為熱量的不良導(dǎo)體，這時內(nèi)部混凝土仍處于高溫階段，混凝土仍處于高溫階段，因而，在表層將形成很陡的溫度梯度，嚴(yán)重限制表層混凝土的急劇收縮，使混凝土的徐變性能不能發(fā)揮作用，從而在混凝土表層產(chǎn)生拉應(yīng)力。這個拉應(yīng)力可能會導(dǎo)致混凝土表面開裂。施工期間實(shí)測溫度如圖2所示。

2.2 混凝土收縮

混凝土收縮是一個長期的過程，最終收縮完成大約要20d，但是混凝土在硬化初期3d～5d的收縮最大，對混凝土的損害也最嚴(yán)重。收縮變形裂縫從時間上可分為塑性收縮裂縫和干燥收縮裂縫。

2.2.1 塑性收縮裂縫?；炷翝仓螅从不蕴幩苄誀顟B(tài)時就出現(xiàn)的裂縫?；炷猎跐仓尚魏?，表面的水被蒸發(fā)，而混凝土內(nèi)部的水分通過泌水和毛細(xì)管的作用上升到表面補(bǔ)充，混凝土隨著水分的蒸發(fā)而收縮。對含水量較大的混凝土（如泵送混凝土等）而言，表面水分較多，如果處在溫度高、風(fēng)速大和干燥的環(huán)境中，或者被模板及基礎(chǔ)吸收，表面的水迅速被揮發(fā)或吸干，而內(nèi)部的水分補(bǔ)充不及，造成表面體積收縮過大，而此時混凝土尚未有足夠的強(qiáng)度抵抗，因而產(chǎn)生塑性收縮紋。

2.2.2 干燥收縮裂縫?；炷猎谟不?，一般在3d～5d的時間，如果養(yǎng)護(hù)不足或處于高溫干燥的環(huán)境，混凝土的收縮較大，而此時混凝土的水化熱已達(dá)到或經(jīng)過了最大值，混凝土的膨脹作用消失，混凝土開始整體地均勻收縮，受到外部約束時，混凝土?xí)a(chǎn)生收縮應(yīng)力，如果應(yīng)力超過混凝土自身的抗拉強(qiáng)度，則會產(chǎn)生干燥收縮裂縫。

2.3 構(gòu)造

由于薄壁墩臺的結(jié)構(gòu)厚度較小，該墩厚度為55cm，厚度小，截面的抗拉能力低，大面積的表面產(chǎn)生的收縮力很容易超過混凝土的抗拉力，因而導(dǎo)致出現(xiàn)貫通的裂縫。薄壁墩臺的底部設(shè)計(jì)一般與大體積的承臺固結(jié)，承臺與墩臺之間由大量的鋼筋聯(lián)結(jié)，約束的剛度極大，造成墩臺混凝土在變形時產(chǎn)生較大的應(yīng)力，這也是形成裂縫的主要原因。

2.4 材料

水泥質(zhì)量不符合要求，混凝土出現(xiàn)了離析與泛漿現(xiàn)象。骨料中含有泥土或使用了不符合要求的骨料，墩臺身較高，混凝土拌和料從上往下卸落時，容易離散，并由于振搗困難，混凝土的均勻性難以得到保證，造成表面或局部位置的砂漿較多，收縮大而不均勻，引起收縮裂縫。

2.5 施工

薄壁墩臺身較高，鋼筋稠密，混凝土攪拌不均或攪拌時間過長，水灰比過大，混凝土搗不充分，保護(hù)層厚度不夠，硬化前受震動或荷載作用等。由于壁薄、鋼筋密，為保證施工質(zhì)量，混凝土的施工坍落度一般較大，以便于流動，該墩采用泵送混凝土，導(dǎo)致水泥、水和細(xì)集料的用量增大，增加了混凝土的收縮量。

3 裂縫的預(yù)防措施

3.1 設(shè)計(jì)階段

薄壁墩臺由于自身屬容易開裂的結(jié)構(gòu)，預(yù)防裂縫如能在設(shè)計(jì)階予以詳細(xì)考慮，解決結(jié)構(gòu)本身的“先天不足”問題，將大大減少在施工階段預(yù)防裂縫的難度。

（1）在滿足受力條件的情況下，單幅薄壁墩臺的橫向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)寬度應(yīng)盡量減小。寬度較大的薄壁墩宜在中間增設(shè)永久的變形縫，減少橫向的收縮量。（2）適當(dāng)增加水平鋼筋的配筋率，特別在薄壁墩臺的底部位置。在同等配筋率的情況下，建議采用小直徑鋼筋小間距布置，以增大薄壁墩臺的抗裂能力。雖然配筋率的增大對防止裂縫的產(chǎn)生作用有限，但能降低裂縫的寬度和減少出現(xiàn)貫通裂縫。（3）從預(yù)防裂縫的角度，在滿足強(qiáng)度要求的情況下，混凝土的設(shè)計(jì)標(biāo)號宜低不宜高。減少施工中的水泥用量和其它外加劑的摻量，并方便施工配合比的配制。（4）在結(jié)構(gòu)型式上考慮減少基礎(chǔ)對墩（臺）身的約束度，或采用一些新型的抗拉性能好的混凝土。

3.2 施工階段

大量的事實(shí)表明，薄壁墩出現(xiàn)裂縫主要是由于施工中對裂縫的認(rèn)識不足和對預(yù)防措施不重視所致，往往在施工配合比設(shè)計(jì)、混凝土的澆筑和養(yǎng)護(hù)時，只注重達(dá)到混凝土的強(qiáng)度指標(biāo)和其他設(shè)計(jì)的具體要求，忽略了對裂縫的控制考慮。根據(jù)裂縫形成的規(guī)律，結(jié)合以上實(shí)例分析結(jié)果，施工階段預(yù)防變形裂縫的主要措施有： （1）把裂縫控制作為一項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo)，精心做好混凝土的施工配合比設(shè)計(jì)。這是預(yù)防變形裂縫首要和根本的措施。①嚴(yán)格減少單方混凝土的水泥和水的用量，一般情況下水泥用量最好不超過350kg/m3，可考慮采用摻加粉煤灰等活性材料，降低水泥用量和產(chǎn)生的水化熱，摻加收縮性小的高效減水劑減少用水量。盡量通過粗、細(xì)骨料的良好級配達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。②采用較低的水灰比、砂率和施工的坍落度，宜采用較大粒徑連續(xù)級配的粗骨料，盡量使用中粗砂。③外加劑（高效減水劑、緩凝劑等）的摻量不宜過大，更不能超過規(guī)定的合理范圍，特別對那些收縮性能指標(biāo)不明確的減水劑，更加要慎重使用。④考慮適當(dāng)摻加膨脹劑增加混凝土的抗收縮能力。（2）施工方案設(shè)計(jì)時，在施工場地條件允許的情況下，盡量采用普通混凝土澆筑，不宜采用泵送混凝土。雖然目前橋梁施工使用泵送混凝土已是發(fā)展趨勢，但從預(yù)防變形裂縫角度看，特別對高標(biāo)號或?qū)挾容^大的薄壁墩臺的混凝土施工，應(yīng)盡量使用普通混凝土澆筑。（3）盡量縮短墩臺身混凝土和承臺混凝土澆筑的間隔時間，兩者齡期差異不宜過大。（4）在晝夜溫差大的天氣盡量不安排施工，在炎熱天氣要注意保持模板的濕潤。采用便攜式建筑電子測溫儀對墩臺內(nèi)部溫度進(jìn)行監(jiān)測（見圖3）。（5）嚴(yán)格控制混凝土水平澆筑，混凝土不能從高處直接卸落，可采用串筒或流槽等措施保證均勻進(jìn)倉，并且振搗要充分。（6）加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，宜采用麻袋覆蓋淋水的方法養(yǎng)生，達(dá)到保溫和保濕的作用，不宜采用直接淋水養(yǎng)護(hù)。在溫差較大的天氣，要設(shè)置專門的保溫措施。建議采用在表面噴養(yǎng)護(hù)劑并覆蓋麻袋淋水養(yǎng)生雙重養(yǎng)護(hù)的辦法，保證養(yǎng)護(hù)的效果。

4 結(jié)語

通過對橋梁空心薄壁墩裂縫的成因分析，采取了以上的種種措施，在山西臨汾張臺地方鐵路海子溝大橋的施工中取得了很好的效果，在余下的墩柱施工中未發(fā)現(xiàn)混凝土表面裂縫，從而保證了該橋高墩混凝土的施工質(zhì)量。

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