管昱華

（中鐵二局集團(tuán)新運(yùn)工程有限公司，四川成都 610031）

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大噸位預(yù)制箱梁早期裂紋成因及防治措施

管昱華

（中鐵二局集團(tuán)新運(yùn)工程有限公司，四川成都 610031）

摘要：大噸位整孔預(yù)制箱梁由于體量龐大及水泥用量高等特點(diǎn)易產(chǎn)生早期裂紋，影響箱梁的力學(xué)性能及耐久性能。文中依托某高速公路項(xiàng)目實(shí)際工程，分析了預(yù)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(yàn)，分別從砼工藝、鋼筋保護(hù)層厚度控制、預(yù)張拉前后模板工藝及砼養(yǎng)護(hù)工藝和預(yù)應(yīng)力張拉工藝調(diào)整等方面進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提出整改措施，預(yù)防大噸位預(yù)制箱梁早期裂紋的產(chǎn)生。

關(guān)鍵詞：橋梁；大噸位預(yù)制箱梁；早期裂紋；防治措施

近年來(lái)，中國(guó)高速公路事業(yè)發(fā)展迅速，施工技術(shù)及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不斷提高。大噸位預(yù)應(yīng)力砼整孔預(yù)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(diǎn)，在高速公路建設(shè)中得到較廣泛應(yīng)用。但由于大噸位整孔預(yù)制箱梁體量龐大、水泥用量高等特點(diǎn)導(dǎo)致砼早期產(chǎn)生裂紋，影響箱梁的力學(xué)性能及耐久性能，進(jìn)而影響橋梁的安全運(yùn)營(yíng)。因此，如何采取合理有效的措施預(yù)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(yù)制箱梁。箱梁采用C50砼，其典型35 m預(yù)制箱梁外形尺寸如圖1所示，箱梁重約800 t。

圖1　預(yù)制箱梁外形尺寸（單位：cm）

該預(yù)制箱梁預(yù)應(yīng)力施工分為預(yù)張拉、初張拉及終張拉3個(gè)階段，預(yù)應(yīng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(yàn)及相關(guān)理論分析箱梁裂紋的成因。

圖2　預(yù)應(yīng)力鋼束布置（單位：cm）

表1　預(yù)應(yīng)力鋼束張拉方案

圖3　第一片箱梁長(zhǎng)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(duì)2片箱梁腹板主要3個(gè)斷面（T40、T60、T110）水化熱溫度場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(shí)間早，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)（70℃以上高溫持續(xù)超過(guò)24 h）。水化熱峰值過(guò)高、局部溫度應(yīng)力偏大是造成砼開(kāi)裂的原因之一。

（2）砼保護(hù)層厚度。該預(yù)制箱梁內(nèi)箱腹板砼保護(hù)層厚度設(shè)計(jì)為3 cm，而現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)鋼筋保護(hù)層測(cè)厚儀測(cè)量，第二片箱梁內(nèi)箱長(zhǎng)懸臂側(cè)變截段處保護(hù)層厚度普遍達(dá)到5 cm。保護(hù)層厚度超標(biāo)，鋼筋對(duì)于砼的變形約束減小，導(dǎo)致第二片箱梁內(nèi)箱長(zhǎng)懸臂側(cè)變截段處豎向裂紋比第一片梁多。

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

（4）內(nèi)箱齒板模型對(duì)梁體的約束作用。大噸位預(yù)制箱梁設(shè)計(jì)為帶模預(yù)張拉，與傳統(tǒng)鐵路預(yù)制箱梁不同的是該箱梁內(nèi)箱預(yù)留后期結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換張拉齒板，預(yù)張拉時(shí)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(duì)梁體的約束作用，導(dǎo)致預(yù)張拉時(shí)齒板模型消耗一定的預(yù)壓應(yīng)力，使砼向中部的預(yù)壓應(yīng)力傳遞減小，導(dǎo)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(zhǎng)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(duì)稱，箱內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致脫內(nèi)模時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，造成內(nèi)箱表面砼長(zhǎng)時(shí)間暴露，若人工灑水養(yǎng)護(hù)不到位，砼表面將嚴(yán)重失水，且箱內(nèi)外、砼表面與環(huán)境溫度相差過(guò)大，砼內(nèi)、外收縮變形不一致，當(dāng)砼變形產(chǎn)生的收縮應(yīng)力大于砼的抗拉強(qiáng)度時(shí)，將導(dǎo)致砼表面開(kāi)裂。

2.3長(zhǎng)懸臂翼板下斜向裂紋的產(chǎn)生原因

該箱梁預(yù)張拉、初張拉均在制梁臺(tái)位固定式底側(cè)模上進(jìn)行，由于該箱梁長(zhǎng)懸臂長(zhǎng)度過(guò)大（達(dá)3.8 m），在預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)程中，固定式底側(cè)模限制了長(zhǎng)懸臂翼緣板向下變形的趨勢(shì)，導(dǎo)致箱梁端頭翼緣板下集中受力，長(zhǎng)懸臂翼板下產(chǎn)生斜向裂紋。

3　防治措施

針對(duì)上述成因，結(jié)合多年施工經(jīng)驗(yàn)，分別從砼工藝改進(jìn)、鋼筋保護(hù)層厚度控制、預(yù)張拉前后模板工藝及砼養(yǎng)護(hù)、預(yù)應(yīng)力張拉工藝調(diào)整等方面進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，采取措施預(yù)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(guò)試拌對(duì)配合比進(jìn)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(duì)減水劑進(jìn)行調(diào)試，增加緩凝成分，增大初凝及終凝時(shí)間，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行試拌驗(yàn)證，查看配合比的凝結(jié)時(shí)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(guò)程中，加強(qiáng)振搗工藝以減少水化熱，提高砼的密實(shí)性和抗拉強(qiáng)度。

表2　優(yōu)化C50砼理論配合比

3.2鋼筋保護(hù)層厚度控制

（1）施工過(guò)程中對(duì)鋼筋骨架尺寸進(jìn)行嚴(yán)格控制，確保骨架及鋼筋輪廓尺寸滿足保護(hù)層要求。

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

3.3預(yù)張拉前后模板工藝及養(yǎng)護(hù)整改措施

箱梁預(yù)制完成后，由于前期凝結(jié)固化，砼水化熱劇烈反應(yīng)，導(dǎo)致箱梁溫度應(yīng)力變化劇烈。加上前期砼未受到外界施加的預(yù)應(yīng)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(hù)是防治裂紋產(chǎn)生的重要因素之一。

（1）箱梁預(yù)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(tái)座，內(nèi)模采用液壓式，齒塊處模板人工安裝、拆除，實(shí)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(yù)張拉時(shí)內(nèi)模及齒板模板對(duì)箱梁的約束，在內(nèi)模變截面及齒板處設(shè)置壓縮橡膠條，預(yù)張拉前取出壓縮橡膠條，以減少預(yù)應(yīng)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(qiáng)度大于10 MPa后及時(shí)進(jìn)行，脫模后采用噴霧霧化進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)，嚴(yán)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(yù)張拉前將內(nèi)模孔口及變截面模板松開(kāi)，以防止內(nèi)模對(duì)梁體的約束，此時(shí)內(nèi)模高度不能下降。作業(yè)人員進(jìn)入內(nèi)箱前，對(duì)內(nèi)箱適當(dāng)通風(fēng)，內(nèi)模模板面收起后禁止通風(fēng)，應(yīng)立即用高壓清洗機(jī)將噴頭調(diào)成噴霧狀態(tài)對(duì)砼面適當(dāng)濕潤(rùn)。

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

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

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

（8）內(nèi)模脫出后嚴(yán)禁用水直接沖刷砼面，應(yīng)采用高壓水槍調(diào)成噴霧狀態(tài)對(duì)腹板進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，保持腹板砼面濕潤(rùn)即可。當(dāng)養(yǎng)護(hù)用水與砼表面溫差在10℃以下時(shí)，方可直接灑水養(yǎng)護(hù)。噴霧養(yǎng)護(hù)或?yàn)⑺B(yǎng)護(hù)頻率不少于1次/h，以砼面保持濕潤(rùn)為度。

3.4預(yù)應(yīng)力張拉工藝

通過(guò)預(yù)應(yīng)力預(yù)張拉可有效預(yù)防砼早期裂紋的產(chǎn)生，但預(yù)張拉應(yīng)力過(guò)小則達(dá)不到預(yù)張效果，預(yù)張拉應(yīng)力過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致砼變形甚至損壞。因此，合理的預(yù)張拉方案對(duì)早期裂紋的控制尤為重要。

通過(guò)有限元軟件計(jì)算分析，該箱梁原設(shè)計(jì)方案預(yù)張拉應(yīng)力過(guò)小，需提高預(yù)張拉應(yīng)力。將預(yù)張拉方案進(jìn)行調(diào)整（如表3所示），并對(duì)原設(shè)計(jì)及調(diào)整后的預(yù)張拉方案分別進(jìn)行檢算。

表3　預(yù)制梁預(yù)應(yīng)力束張拉順序及控制應(yīng)力

對(duì)調(diào)整前后預(yù)制箱梁預(yù)張拉方案進(jìn)行檢算，結(jié)果表明：采用原設(shè)計(jì)預(yù)張拉方案，當(dāng)預(yù)制梁的砼澆筑完成、縱向預(yù)應(yīng)力鋼束預(yù)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(yīng)力的作用，最大壓應(yīng)力為1.12 MPa。采用調(diào)整后預(yù)張拉方案，當(dāng)預(yù)制梁的砼澆筑完成、縱向預(yù)應(yīng)力鋼束預(yù)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(yīng)力的作用，最大壓應(yīng)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(yīng)力的作用，調(diào)整后跨中斷面縱向壓應(yīng)力增加0.37 MPa。

同時(shí)，根據(jù)鐵路預(yù)制箱梁施工經(jīng)驗(yàn)，參考鐵路相關(guān)規(guī)范要求，為保證及時(shí)預(yù)張拉，將預(yù)張拉時(shí)砼強(qiáng)度調(diào)整為砼設(shè)計(jì)強(qiáng)度的50%（原設(shè)計(jì)為60%）。

4　優(yōu)化改進(jìn)效果

對(duì)6片箱梁改進(jìn)后效果進(jìn)行觀測(cè)，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(shí)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(hù)層厚度合格率達(dá)到90%以上，且最大不超過(guò)40 mm。

（3）改進(jìn)養(yǎng)護(hù)措施后未見(jiàn)內(nèi)箱表面不規(guī)則收縮裂紋。

（4）預(yù)張拉前取出橡膠條，并按調(diào)整后的預(yù)張拉方案進(jìn)行張拉，效果良好，梁體變形在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，且脫內(nèi)模后內(nèi)箱未見(jiàn)豎向裂紋。

（5）預(yù)張拉前翼板模型松開(kāi)后，預(yù)張拉、初張過(guò)程中梁端翼板未受力，箱梁提出后未見(jiàn)斜向裂紋。

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

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中圖分類號(hào)：U445.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-2668（2016）03-0226-05

收稿日期：2016-02-08