樓介翔,劉艷莉

(云南省公路科學(xué)技術(shù)研究院,云南昆明 650051)

連續(xù)剛構(gòu)橋0#塊早期裂縫成因及防治措施探討

樓介翔,劉艷莉

(云南省公路科學(xué)技術(shù)研究院,云南昆明 650051)

結(jié)合工程實例，介紹了連續(xù)剛構(gòu)橋0#塊早期裂縫成因，并提出防治措施,有關(guān)經(jīng)驗可供相關(guān)專業(yè)人員參考。

連續(xù)剛構(gòu)；0#塊；裂縫；成因；防治

0 引言

隨著近年來高速公路建設(shè)的發(fā)展，連續(xù)剛構(gòu)橋以其獨特的結(jié)構(gòu)特點和適用性在云南山區(qū)高速路建設(shè)中得到廣泛運用,其設(shè)計理論及施工技術(shù)已取得很大提高。但在橋梁施工過程中，混凝土出現(xiàn)早期裂縫是通病，特別是箱梁0#塊腹板上的早期裂縫，經(jīng)常困擾著橋梁工程施工技術(shù)人員。一旦出現(xiàn)裂縫,在荷載、物理及化學(xué)作用下,裂縫不斷發(fā)展,引起結(jié)構(gòu)強度及剛度的削弱,導(dǎo)致耐久性降低甚至發(fā)生垮塌事故,必須加以重視。

1 連續(xù)剛構(gòu)橋早期裂縫類型及成因

混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的成因復(fù)雜且繁多， 混凝土是一種脆性材料,抗拉強度只有抗壓強度的1/10左右,由于原材料不均勻,水灰比不穩(wěn)定,澆搗過程中的分離現(xiàn)象,而在同一混凝土構(gòu)件中,抗拉能力又是不均勻的,所以極易出現(xiàn)開裂,而一條裂縫的產(chǎn)生往往是多種因素相互影響的結(jié)果?；炷翗蛄毫芽p的種類，就其產(chǎn)生的原因，大致可劃分如下幾種。

1.1 設(shè)計理論

從設(shè)計理論角度認為，目前預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁開裂問題與在設(shè)計時采用平面單元不能考慮箱梁的實際空間效應(yīng)、配索方式不合理以及對豎向預(yù)應(yīng)力損失估計不足有關(guān)。

1.2 材料性能

從混凝土材料分析，認為是混凝土的配合比、收縮徐變等設(shè)計取值與實際不符引起的裂縫。混凝土主要由水泥、砂、骨料、拌和水及外加劑組成。配置混凝土所采用材料質(zhì)量不合格，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。如因水泥質(zhì)量不穩(wěn)定或不同質(zhì)量的水泥混打，使混凝土的強度形成不均，后凝結(jié)的混凝土破壞已硬化的混凝土,砂、石骨料質(zhì)量不高導(dǎo)致水泥和拌和水用量加大，使混凝土收縮加大?；炷涟韬纤杏屑s20%的水分是水泥水化必須的,其余80%左右都會蒸發(fā)掉,從而引起混凝土失水體積收縮(干縮),此外,水泥水化硬化形成水泥骨架,不斷緊縮也會導(dǎo)致體積收縮(凝縮),這兩部分構(gòu)成了混凝土收縮變形,收縮值大小不僅與水泥用量,骨料級配,水灰比大小有關(guān),而且與混凝土的養(yǎng)護也有關(guān)系,在收縮中干縮起主導(dǎo)作用。構(gòu)件由于內(nèi)外溫差大,表面水分蒸發(fā)過快,表面干縮變形大于內(nèi)部干縮變形,形成內(nèi)外干縮變形差而形成裂縫［1］。

1.3 施工質(zhì)量

從施工角度來看，認為是施工質(zhì)量不合格,施工過程不規(guī)范引起結(jié)構(gòu)開裂。如混凝土結(jié)構(gòu)澆筑、拆模等施工過程工藝不合理， 混凝土強度形成前鋼筋受到撓動,使結(jié)構(gòu)斷面受損、混凝土質(zhì)量降低，支架不均勻沉降，過早拆除模板等都會引起混凝土早期開裂；以及預(yù)應(yīng)力張拉過早、預(yù)應(yīng)力張拉控制達不到設(shè)計要求，預(yù)應(yīng)力孔道壓漿不飽滿、豎向預(yù)應(yīng)力損失過大等施工質(zhì)量問題引起開裂。

1.4 溫度荷載

一般而言,由于溫度變形受到的約束而在混凝土結(jié)構(gòu)中引起的溫度應(yīng)力常常比外荷載引起的應(yīng)力大,而溫度變形對結(jié)構(gòu)影響最大的是體積變形,當(dāng)溫度變形呈收縮狀態(tài),而且受到自身或外部約束所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力超過了允許抗拉強度時,混凝土就會產(chǎn)生溫度裂縫。

面板的變溫荷載,一般早期是以梯度溫差和非線性變溫荷載為主,后期以均勻變溫為主,當(dāng)澆筑完成后,水化散熱,由于混凝土導(dǎo)熱性較差,往往會導(dǎo)致內(nèi)部溫度以及溫度梯度變化不均勻,而在橫向和豎向溫度梯度荷載共同作用下混凝土箱梁內(nèi)表面拉應(yīng)力高達2-3 MPa，因此按照原公路規(guī)范規(guī)定的溫度荷載設(shè)計時，很容易由于忽略了溫度梯度荷載效應(yīng)而導(dǎo)致混凝土開裂事故的發(fā)生［2］。

2 西游洞特大橋0#塊早期裂縫成因分析

2.1 工程概況及現(xiàn)階段問題

云南武昆高速公路第 11 合同段西游洞特大橋跨越深溝,毗鄰西游洞風(fēng)景區(qū),是武昆項目的控制性工程。西游洞特大橋為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋,左右幅橋跨徑布置均為88 m+160 m+88 m,左幅平面位于直線段,立面位于 2.78%的縱坡上,右幅平面位于直線和緩和曲線段上,立面縱坡2.80%。單幅上部結(jié)構(gòu)箱梁為單箱單室,頂板寬13 m,底板寬7 m；根部梁高10 m,跨中梁高3.5m,梁高按1.6次拋物線變化；頂板厚30 cm；腹板厚度50～70 cm；底板厚度由跨中的32 cm 按1.6次拋物線變化到梁根的1.2 m。 0#塊頂板60 cm,腹板厚1.0 m,底板厚 1.4 m,設(shè) 4 道橫隔板,每墩2 道,每道厚50 cm。箱梁采用縱豎雙向預(yù)應(yīng)力體系,下部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土雙薄壁空心墩,單壁尺寸7×2.5 m,墩內(nèi)緣凈距6 m,鉆孔群樁基礎(chǔ)。上部結(jié)構(gòu)箱梁采用 C55 混凝土懸臂澆筑施工,下部薄壁墩采用C50 混凝土翻模施工。

西游洞特大橋雙幅4個T的0#塊和1#塊在澆筑完成后的檢測中發(fā)現(xiàn)各類裂縫問題,其主要特征為：

(1)梁段腹板(扣除倒角,腹板凈高7.0 m)內(nèi)外側(cè)均發(fā)現(xiàn)多條豎向裂縫,長度1.3～6.8 m,裂縫寬度0.1～0.4 mm,深度3.5～30 cm。

(2)豎向裂縫多由底板與腹板倒角的頂部開始豎直向上延伸,在1.0～2.0 m的較短范圍內(nèi),快速變寬變深到最大值,然后向上逐步變窄變淺。

(3)豎向裂縫多集中在0#塊箱內(nèi)腹板上,分布較為均勻間距約 1.5 m,每個腹板有裂縫5條左右,箱外腹板有同樣的豎向裂縫,但條數(shù)、長度明顯少于箱內(nèi)。裂縫尚無明顯貫通腹板厚度跡象。

(4)底板裂縫為縱向裂縫分布在0#塊和1#塊底板的箱外緣,大致在板中的位置。裂縫寬度大于0.2 mm,且發(fā)現(xiàn)有滲水和結(jié)晶。

(5)頂板裂縫為橫向裂縫分布在0#塊箱內(nèi)頂板,典型地為2條貫穿梁寬的裂縫,裂縫寬度大于0.2 mm,起止于腹板與頂板倒角的底部。

(6)墩頂橫隔板人孔倒角處發(fā)射狀裂縫［3］。

2.2 混凝土水化熱應(yīng)力分析

(1)混凝土熱學(xué)性能

混凝土的熱學(xué)性能包括密度、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱,一般根據(jù)混凝土的質(zhì)量百分比進行估算。影響混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)主要因素是：骨料種類、骨料用量、混凝土的含水狀態(tài)。從定量方面分析,骨料對混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響較大。采用不同種類骨料組成的混凝土,它的導(dǎo)熱系數(shù)有明顯差別。表1為實際使用混凝土配合比,表2 為估算混凝土熱學(xué)性能使用的系數(shù)。

表1 混凝土配合比

表2 混凝土熱學(xué)性能

根據(jù)表1和2可以計算得到：

導(dǎo)熱系數(shù)：

λ=17.68%×4.593+26.9%×11.099+15.8%× 14.193+6.14%×2.16=10.43 kJ/(mh℃)；

混凝土比熱：

c=1.05×(17.68%×0.536+26.9%×0.745+15.8%× 0.758+6.14%×4.187)=0.944 4 kJ/(kg℃)。

(2)水泥水化熱

水泥水化時會發(fā)生溫度變化,這主要源于幾種無水化合物組分的溶解熱和幾種水化物在溶液中的沉淀熱,這些熱值的代數(shù)和就是水泥在任何齡期下的水化熱。水泥水化熱的大小與放熱速率主要決定于水泥的礦物成分。西游洞特大橋膠凝材料水化熱總量為Q=0.96×373.51=358.57 kJ/kg。

(3)混凝土絕熱溫升

西游洞特大橋采用混凝土的最大絕熱溫升為78.16℃。

(4)模板的放熱系數(shù)和氣溫

在溫度場計算中考慮模板對混凝土表面散熱的影響,在拆模前為模板表面與空氣熱對流邊界,拆模后為混凝土表面與空氣熱對流表面。鋼模板和木模板的放熱系數(shù)分別為76.53 kJ/(m2h℃)和27.73 kJ/(m2h℃),裸露混凝土表面的放熱系數(shù)為kJ/(m2h℃)；入模溫度為20℃。

(5)計算模型

采用 Midas/Civil 軟件建立包含橋梁 0#塊、1#塊及墩的空間實體模型,模擬0#塊、1#塊的施工過程,分析施工過程中腹板的應(yīng)力。有限元模型見圖1,共有5 512個單元,8 805個節(jié)點組成。箱梁為C55 混凝土,墩身為C50 混凝土。

圖 1 西游洞特大橋0#、1#模型

(6)左幅1#墩按實際施工順序計算結(jié)果

圖2和圖3分別為左幅 1#墩 0#塊、1#塊拆內(nèi)模后第8 d和第19 d腹板的應(yīng)力分布圖,由圖2可以看到拆模后 0#與1#塊交接區(qū)域的腹板部分首先出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力(約為2.6 MPa),隨后0#塊腹板也出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力,并且靠近橫隔板位置的拉應(yīng)力最大,而這些位置正是實際出現(xiàn)裂縫的位置。

圖2 左幅1#墩內(nèi)模板拆除8 d后腹板應(yīng)力分布圖

圖3 左幅1#墩內(nèi)模板拆除19 d后腹板應(yīng)力分布

(7)右幅2#墩按實際施工順序計算結(jié)果

圖4和圖5分別為右幅 2#墩 0#塊、1#塊拆內(nèi)模后第27 d和第38 d腹板的應(yīng)力分布圖,可以看到拆模后1#塊腹板倒角部分首先出現(xiàn)拉應(yīng)力,隨后0#塊腹板也出現(xiàn)拉應(yīng)力,并且靠近橫隔板位置的拉應(yīng)力最大,而這些位置正是實際出現(xiàn)裂縫的位置［4］。

2.3 其他設(shè)計、施工原因分析

圖4 右幅2#墩內(nèi)模板拆除27 d后腹板應(yīng)力分布

圖5 右幅2#墩內(nèi)模板拆除38 d后腹板應(yīng)力分布

(1)設(shè)計上指明“0號梁段由于預(yù)應(yīng)力管道集中,鋼筋密集,混凝土方量較大,為保證施工質(zhì)量, 0號梁段混凝土的施工可采用分次澆筑,豎向分段位置應(yīng)在箱梁截面中性軸附近,即距離箱梁底面5 m的位置附近,且兩次澆筑的齡期差不應(yīng)大于7 d”,而實際施工中0#塊分底板、腹板、頂板3次澆筑,且每2次混凝土澆筑時間間隔在27 d。自生應(yīng)力和約束應(yīng)力超過了混凝土的極限抗拉應(yīng)力造成裂縫的產(chǎn)生。

(2)開裂之后,沒有做好合理的養(yǎng)護,而橋梁構(gòu)件又是長期處于液—固的賦存環(huán)境中,空氣中的水分通過裂縫入滲進去,造成混凝土原始微裂縫端部的性質(zhì)變化,局部范圍內(nèi)的強度降低,導(dǎo)致進一步開裂。

(3)箱梁腹板外側(cè)設(shè)有防裂網(wǎng)片,內(nèi)側(cè)未設(shè)。

2.4 箱梁0#塊早期裂縫成因總結(jié)

(1)根據(jù)對施工配合比的分析,混凝土的水化熱為415 kJ/kg,其中水泥理論水化熱高達436 kJ/kg, 3 d和7 d的水泥水化熱理論值分別為 222 kJ/kg和272 kJ/kg。7 d水泥水化熱略高于GB50496-2009推薦的水泥限值。高水化熱意味著單位時間產(chǎn)生的熱量多,溫升高(理論絕熱溫升高達79℃),其內(nèi)外溫差的控制難度大大增加。

(2)豎向裂縫多發(fā)源于底板與腹板的施工界面,向上發(fā)展迅速達到最大深度和寬度,多數(shù)底部裂縫寬度較頂部寬,0#塊和1#塊的分段澆筑,由于底板與腹板收縮時差達27 d,底板將對腹板形成強大的抗收縮約束,這種約束從下到上迅速減弱。腹板收縮受到底板約束呈現(xiàn)整體受拉性狀,約束越強,自生的拉應(yīng)力就越大,是裂縫從底部約束最大處開裂的機理。

(3)箱內(nèi)裂縫較箱外多,首先因為內(nèi)外箱采用了不同的模板,箱內(nèi)木模是箱外鋼模的放熱系數(shù)的近3倍,同時箱外空氣流動,其整體散熱能力遠高于箱內(nèi),即實際施工時腹板的箱外側(cè)表面溫度將低于箱內(nèi)側(cè),其由于溫差產(chǎn)生的表面拉力將大于箱內(nèi)側(cè)。原設(shè)計對箱外側(cè)加裝防裂鋼筋網(wǎng)起到了在腹板外側(cè)分散應(yīng)力集中,分擔(dān)部分拉力的作用。隨著 10 d左右內(nèi)模拆除,腹板內(nèi)外側(cè)的散熱條件發(fā)生逆轉(zhuǎn),混凝土直接對空氣放熱系數(shù)將略高于鋼模,同時養(yǎng)護開始,由橋下抽取的冷的河水作為養(yǎng)護水噴灑到內(nèi)表面,使得內(nèi)側(cè)溫差在短時間內(nèi)下降過快,內(nèi)側(cè)去除了模板的約束,又沒有設(shè)計防裂鋼筋網(wǎng),箱內(nèi)混凝土表面累積的溫度應(yīng)力疊加上收縮應(yīng)力將易超過短齡期的混凝土抗拉強度,而導(dǎo)致箱內(nèi)表首先開裂和開裂較外側(cè)多。

3 減少或控制混凝土早期裂縫的措施

(1)混凝土配合比設(shè)計時應(yīng)考慮箱梁各個施工階段的溫度應(yīng)力,采用較小的水灰比,采用中熱硅酸鹽水泥品種。

(2)嚴格控制沙、石材料的質(zhì)量,使用潔凈的拌合用水,減少混凝土內(nèi)雜質(zhì)。

(3)盡量使用散熱快且剛度大的鋼模。

(4)控制混凝土初凝時間及終凝時間,盡可能減少澆筑時間。

U445.7+1

B

1009-7716(2015)09-0149-04

2015-05-11

樓介翔(1985-),男,云南昆明人,工程師,從事試驗檢測工作。