蔣贏達(dá)
(上海公路投資建設(shè)發(fā)展有限公司,上海市200335)
混凝土在澆筑后,暴露在一定溫、濕度的環(huán)境中,將產(chǎn)生各種收縮。收縮變形的大小取決于環(huán)境的溫度和濕度、構(gòu)件的尺寸、制備混凝土原材料的特性,以及配合比等因素。在各種約束的作用下,混凝土的收縮將引起拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度時,混凝土就可能開裂?;炷灵_裂會導(dǎo)致滲水、加速鋼筋銹蝕、降低結(jié)構(gòu)耐久性[1]。裂縫問題伴隨著混凝土的出現(xiàn)而產(chǎn)生,形式多樣,原因復(fù)雜,必須結(jié)合結(jié)構(gòu)形式及外部環(huán)境做好事前控制方能避免或減少裂縫產(chǎn)生。
混凝土的收縮是指其體積的減小過程,產(chǎn)生的原因:一是混凝土本身的材料特性;二則與環(huán)境相關(guān)。主要可分為以下三類[2]。
1.2.1 化學(xué)收縮
混凝土的化學(xué)收縮是指在混凝土內(nèi)部水泥水化的過程中,水化產(chǎn)物的絕對體積同水化前水泥和水的絕對體積之和相比有所減少的現(xiàn)象。這主要是由于膠凝材料水化反應(yīng)前后化合物平均密度不同所致。
1.2.2 干燥收縮
干燥收縮是指混凝土停止養(yǎng)護(hù)后,在不飽和的空氣中失去內(nèi)部毛細(xì)孔和凝膠中的水而發(fā)生的收縮。主要是由混凝土失水引起的。
1.2.3 溫度收縮
混凝土與其他材料類似,均存在熱脹冷縮的特性。因溫度而產(chǎn)生的收縮主要分為兩類:一是環(huán)境溫度的下降導(dǎo)致混凝土構(gòu)件整體的冷縮變形,如日夜變化、季節(jié)變化等;二是早期水化熱達(dá)到最高峰后,混凝土表面及內(nèi)部與外界環(huán)境進(jìn)行溫度傳遞,造成其溫度不斷下降,最終與環(huán)境溫度達(dá)到一致而形成冷縮變形。
混凝土收縮后,若存在約束阻止其收縮變形的發(fā)展則混凝土將出現(xiàn)拉應(yīng)力。約束可以分為內(nèi)部約束及外部約束兩類:
內(nèi)部約束主要是指表層混凝土與內(nèi)部混凝因收縮量不一致而導(dǎo)致的不同混凝土層之間的約束。此類約束通常是內(nèi)部約束表面,因為表面的干燥收縮及溫度收縮速度通常大于混凝土內(nèi)部。對于新老混凝土的結(jié)合位置,因新混凝土收縮速度及收縮量大于老混凝土,也容易產(chǎn)生老混凝土約束新混凝土的內(nèi)部約束。
外部約束主要是指結(jié)構(gòu)本身或施工措施對混凝土構(gòu)件的整體的約束,如:門式墩立柱對蓋梁的約束,受力支架對混凝土的約束等。
混凝土裂縫主要出現(xiàn)在混凝土澆筑初凝后的早期。此階段混凝土各方面收縮量較大,其彈性模量已增長到一定的水平,外部或內(nèi)部約束對混凝土構(gòu)件的約束力較大,以致產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力,但其強(qiáng)度卻處于較低水平,一旦拉應(yīng)力超過混凝土此時的抗拉強(qiáng)度,則產(chǎn)生裂縫。
混凝土的裂縫控制,從根本上來說是減少或推遲收縮量的產(chǎn)生。對于化學(xué)收縮,可以通過優(yōu)化配合比,減少水泥用量的方式進(jìn)行控制;對于干燥收縮,可以通過對混凝土覆蓋并保持濕潤來減小前期的收縮量;對于溫度收縮,則應(yīng)該采取措施減小混凝土的內(nèi)外溫差,若環(huán)境溫度急劇下降則應(yīng)做好相應(yīng)的保溫措施[3]。
全混凝土結(jié)構(gòu)斜拉橋主要指其主塔、主梁均采用混凝土材料。因其特殊的結(jié)構(gòu)形式,其裂縫問題不同于常規(guī)結(jié)構(gòu),需特殊分析解決。
某大橋采用雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋的形式一跨過江??鐝綖椋?25+296+125)m,邊跨設(shè)置有輔助墩;主塔為花瓶型,塔高94 m;主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土雙主肋斷面,橋面寬34.6 m;基本結(jié)構(gòu)體系采用半漂浮體系;斜拉索采用扇形密索體系。兩側(cè)引橋采用30 m左右預(yù)應(yīng)力混凝土剛接小箱梁,簡支變連續(xù)處理,橋面總寬為27.5 m。主橋設(shè)計方案見圖1所示。
因該工程位于二級水源保護(hù)區(qū),為減少后期養(yǎng)護(hù)對水源的污染,主塔及主梁均采用了混凝土結(jié)構(gòu),對施工及設(shè)計均造成了較大的難度,尤其是對于混凝土裂縫控制方面提出了很高的要求。
該橋單個主墩承臺面積約1076m2,承臺厚度5.5m,基底墊層厚度為35 cm,混凝土方量為5 919.2 m3,采用一次性完成澆筑的施工方案,具體構(gòu)造見圖2所示。
圖2 主墩承臺構(gòu)造圖
該承臺混凝土方量非常大,承臺厚度達(dá)到5.5 m,屬于典型的大體積混凝土的范疇。此類混凝土在澆筑初期內(nèi)部產(chǎn)生大量的水泥水化熱卻無法釋放,其內(nèi)部溫度及內(nèi)外溫度梯度均非常大,會引起較大的溫度應(yīng)力。一旦控制不好極易產(chǎn)生裂縫,而防止裂縫的首要措施為溫度控制。
《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》對此類大體積承臺混凝土澆筑的溫控參數(shù)主要有三個:一是最大升溫不宜大于50℃,二是混凝土表面與環(huán)境溫差、混凝土內(nèi)部相鄰測點間的溫差不應(yīng)超過25℃,三是降溫速率不宜大于2.0℃/d[4]。
為對混凝土溫度進(jìn)行全過程監(jiān)控,首先,要建立完善溫度監(jiān)測系統(tǒng),密切監(jiān)視溫度波動,以指導(dǎo)混凝土的養(yǎng)護(hù)工作;其次,應(yīng)采取貫穿于混凝土澆搗前、澆搗中及澆搗后的全階段溫度控制措施。對此,應(yīng)做好以下幾方面工作[5]:
(1)合理設(shè)計混凝土配合比,降低水泥用量,優(yōu)先選用低熱水泥,摻加礦渣、粉煤灰等水泥替代物,減少總的水化熱;
(2)采用緩凝劑延遲水化進(jìn)程,降低溫度高峰值;
(3)通過骨料預(yù)冷、冰代替部分拌和水、運輸防曬等措施降低混凝土入模溫度;
(4)混凝土澆筑后,通過有效的保溫養(yǎng)護(hù)來提高表層溫度、減小內(nèi)表溫差并控制降溫速率,典型方法為表面覆蓋蓄熱養(yǎng)護(hù)、蓄水養(yǎng)護(hù)等;
圖1 主橋設(shè)計方案布置圖
(5)對于較厚的大體積混凝土,必須通過預(yù)埋冷卻水管來降低內(nèi)部的混凝土溫度。
斜拉橋承臺通常尺寸較大,混凝土方量大,產(chǎn)生裂縫的主要原因為溫度變化及梯度而造成的溫度應(yīng)力,而其裂縫控制的成功與否,主要通過溫度監(jiān)測結(jié)果體現(xiàn),因此溫度監(jiān)測系統(tǒng)必須建立,且必須考慮全階段溫度控制措施,否則一旦產(chǎn)生裂縫將對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非常不利的影響。
該工程主塔為花瓶型,塔高94 m,采用雙肢箱型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。施工中分為24個節(jié)段進(jìn)行澆筑,其中下塔柱及少量中塔柱采用翻模施工,其余中塔柱及上塔柱采用爬模施工。
在02#節(jié)段施工并拆模后,發(fā)現(xiàn)其混凝土表面出現(xiàn)了一定數(shù)量的裂縫,經(jīng)過專業(yè)儀器檢測,裂縫長度為40~300 cm,寬度為0.2 mm以下,均為混凝土表面裂縫,某一典型面的裂縫分布情況見圖3所示。
圖3 塔柱2#節(jié)段裂縫分布情況示意圖
由圖3可見,主要裂縫類型:一是分布較為均勻豎向裂縫,二是新老混凝土結(jié)合面的龜裂區(qū)。經(jīng)過分析,除混凝土塌落度過大、入模溫度高、養(yǎng)護(hù)措施不到位等普遍原因外,出現(xiàn)上述裂縫還存在以下原因:
(1)此節(jié)段混凝土澆筑時正值夏季,氣溫高,白天混凝土在高溫、日照及自身水化熱的作用下自身溫度非常高,一旦進(jìn)入夜晚,環(huán)境氣溫降低,箱體外側(cè)混凝土表面溫度隨之降低,而箱體內(nèi)由于通風(fēng)不暢,仍然聚集有大量的熱量無法釋放,因此出現(xiàn)了較大的內(nèi)外溫差,造成收縮不一致,從而產(chǎn)生裂縫。
(2)箱體內(nèi)部模板支撐采用腳手管對撐的形式,因經(jīng)驗不足,此節(jié)段箱內(nèi)支撐系統(tǒng)的松模時間在5 d左右,腳手管對撐的支撐系統(tǒng)作為外部約束制約的箱體的收縮,從而產(chǎn)生了裂縫。
(3)因工序銜接存在問題,02#節(jié)段混凝土澆筑時間與01#節(jié)段間隔時間為1個月左右,此時01#節(jié)段混凝土收縮已基本完成,老混凝土做為內(nèi)部約束而阻止02#節(jié)段新澆筑混凝土收縮,從而造成新老混凝土結(jié)合位置的龜裂區(qū)。
通過對02#節(jié)段裂縫成因的分析,后期采取相對應(yīng)的措施以控制裂縫的出現(xiàn)。對于箱體內(nèi)外溫差問題,要求拆模后及時增加鼓風(fēng)機(jī)等通風(fēng)設(shè)備對箱體內(nèi)部熱量進(jìn)行釋放;對于腳手管對撐的外部約束,要求48 h內(nèi)必須松模,提前解除收縮約束;對于新老結(jié)合部位收縮不一致的問題,要求盡量縮短相鄰兩個階段混凝土之間的間隔時間,盡量控制在10 d以內(nèi)。通過上述施工措施,后期塔柱混凝土裂縫得到了有效的控制。
該橋主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土雙主肋斷面,主梁寬度34.6 m,主梁截面中心點梁高2.8 m,主肋梁高2.55 m,頂面在車行道范圍內(nèi)設(shè)2.0%雙向橫坡,布索區(qū)和人非混行道為平坡。主梁完全對稱于橋梁中心線,全橋根據(jù)施工順序共分為69個節(jié)段,從邊跨到橋梁中心線依次為邊跨支架現(xiàn)澆段2、邊跨合龍段2、邊跨支架現(xiàn)澆段1、邊跨合龍段1、邊跨節(jié)段 8~1#、0#塊、中跨節(jié)段 1~21#、中跨合龍段,兩段邊跨支架現(xiàn)澆段長33.7 m和26.1 m,邊跨合龍段長2 m,B0段長16.8 m,中跨合龍段長2 m,其余節(jié)段均為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段,標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長6.6 m。標(biāo)準(zhǔn)段主梁肋寬為2 m,兩主肋中心距26 m。其橫斷面結(jié)構(gòu)形式見圖4所示。其邊跨節(jié)段8~2#、中跨節(jié)段2~21#均采用牽索掛籃進(jìn)行施工。
圖4 主梁橫斷面結(jié)構(gòu)圖
5#節(jié)段施工完成后進(jìn)行例行檢查時(雨天),發(fā)現(xiàn)2#~5#節(jié)段翼緣板均出現(xiàn)一定數(shù)量的規(guī)則裂縫。所有裂縫均出現(xiàn)在靠近節(jié)段分界線的新澆節(jié)段翼緣板上,裂縫距離節(jié)段分段線0.2 m左右,與主縱梁成30°~45°夾角向外延伸,長度0.2~1.6 m,寬度0.2~0.4 mm,每個翼緣板裂縫數(shù)量2~4道,在混凝土養(yǎng)護(hù)灑水期間及雨天,梁底裂縫有水滲出,可判斷該裂縫貫穿。其分布情況及實景見圖5、圖6所示。
圖5 主梁翼緣板裂縫分布示意圖
圖6 主梁翼緣板裂縫之實景
在發(fā)現(xiàn)該裂縫后,對裂縫的出現(xiàn)、發(fā)展及變化等情況進(jìn)行持續(xù)觀測和記錄,并在6#、7#及8#節(jié)段施工中,陸續(xù)采取了在翼緣板增設(shè)防裂鋼筋、調(diào)整混凝土澆筑順序、嚴(yán)格控制混凝土養(yǎng)護(hù)期間臨時堆載、模板的拆除和三角桁架的行走滿足齡期及抗壓強(qiáng)度雙控,提前施加部分縱向預(yù)應(yīng)力等措施。
根據(jù)觀測裂縫出現(xiàn)時間為混凝土澆筑完成后的第4天左右;3~7 d同條件養(yǎng)護(hù)試塊的試驗結(jié)果顯示各階段的混凝土強(qiáng)度均能滿足工序要求;混凝土初凝時間約11 h能滿足混凝土澆筑要求(澆筑時間約為5 h);6#、7#及8#節(jié)段的裂縫數(shù)量變少,其長度、寬度及角度也逐步減小,情況明顯改善,但仍存在貫穿現(xiàn)象。
為分析裂縫產(chǎn)生的原因,從6#節(jié)段開始嚴(yán)格規(guī)定了部分工序的操作時間:模板的拆除時間為第5天,三角桁架的行走時間為第5天,預(yù)應(yīng)力張拉的時間為第7天。根據(jù)后續(xù)節(jié)段的觀測情況,基本可以排除以上工序為出現(xiàn)裂縫的主要原因。
通過分析,上述裂縫的出現(xiàn)存在以下主要原因:
(1)主梁標(biāo)準(zhǔn)段橫截面為π形,其主肋寬度2 m,翼緣板厚度為0.55~0.2 m,厚度差異大,澆筑完成后其前期收縮不一致(翼緣板收縮大,主肋收縮量小),導(dǎo)致翼緣板出現(xiàn)沿縱橋向的拉應(yīng)力;另一方面,相鄰兩個節(jié)段間存在15 d左右的施工齡期差,新澆節(jié)段翼緣板收縮受已經(jīng)澆筑節(jié)段的約束而產(chǎn)生沿橫橋向的拉應(yīng)力,在兩個方向的拉應(yīng)力作用下,若主拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度,則可能出現(xiàn)斜向裂縫。
(2)根據(jù)觀測,斜拉索長度隨溫度變化而伸縮,使梁體在豎向出現(xiàn)有周期的位移變化(8#節(jié)段最前端位移差2.4 cm),可能導(dǎo)致節(jié)段根部裂縫的出現(xiàn)或發(fā)展。
(3)主梁采用前支點掛籃施工,在混凝土養(yǎng)護(hù)期間,梁體和掛籃處于彈性簡支狀態(tài),對外部擾動較為敏感,施工作業(yè)、堆載等均可能使梁體出現(xiàn)抖動和豎向位移變化,可能導(dǎo)致節(jié)段根部裂縫出現(xiàn)或發(fā)展。
根據(jù)以上分析,對后續(xù)節(jié)段施工采取以下措施,控制其裂縫的產(chǎn)生:
(1)在翼緣板易開裂的部位加防裂鋼筋網(wǎng)片,在混凝土澆筑完成后的第3天提前張拉翼緣板部位的縱向預(yù)應(yīng)力,張拉力為設(shè)計張拉力的50%,第7天二次張拉至100%,以抵消前期產(chǎn)生的收縮拉應(yīng)力。
(2)加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)期的控制措施,模板的拆除(包括翼緣板松模及拱架的下放)和三角桁架的行走必須滿足齡期大于等于5 d和抗壓強(qiáng)度大于等于70%雙控目標(biāo)。從混凝土澆筑完成至預(yù)應(yīng)力和斜拉索三張之前,嚴(yán)禁在主梁前端13.2 m范圍內(nèi)(兩個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段)堆載。
通過上述措施,后期主梁翼緣板裂縫得到了有效的控制。
裂縫問題始終伴隨著混凝土技術(shù)的發(fā)展。對于全混凝土結(jié)構(gòu)的斜拉橋,則應(yīng)該結(jié)合其結(jié)構(gòu)特點,對外部及內(nèi)部因素進(jìn)行逐一分析,方能做好混凝土裂縫的控制工作。本文就工程實施過程中出現(xiàn)的特有的裂縫問題進(jìn)行了分析并提出了解決措施,為類似工程提供參考。
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