橋梁空心薄壁墩裂縫成因與預防

摘 要：山西臨汾張臺地方鐵路海子溝大橋主跨為（48+80+48）m預應力混凝土連續梁，主墩6#墩高度為59m，7#墩高度為70m，均為空心薄壁圓形墩。該橋為全線的控制工程，高墩混凝土的施工質量對該橋影響巨大。本文對空心薄壁墩裂縫成因進行了分析，提出了預防措施，為今后的工程施工提供指導作用。

關鍵詞：薄壁墩；裂縫；成因；預防

1 引言

空心薄壁墩結構以其墩受力合理、工程量少、對地基承載力要求不高等優點，在橋梁設計中得到了廣泛的應用，但是空心薄壁墩結構表面積相對更大，在施工及使用過程中容易出現裂縫，而薄壁墩一旦開裂，將對整個橋的耐久性、抗滲抗腐性及美觀產生一定影響，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防措施，成為工程界長期關注的問題。其中，武漢理工大學的蔣玉龍對寒冷干燥地區橋梁混凝土薄壁墩防裂技術進行了研究，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生影響；鄭州大學的史永濤對變截面空心薄壁墩混凝土的收縮徐變進行了試驗研究，建立了混凝土收縮徐變理論模型，給出了收縮徐變效應對高墩變形、內力重分布等方面的影響；中國長江三峽開發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行了研究，并提出了相關的預防措施。

本文結合山西臨汾張臺地方鐵路海子溝大橋項目（見圖1），對空心薄壁墩裂縫形成的原因進行了分析，并給出了設計階段和施工階段具體的預防措施。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預應力混凝土簡支梁+（48+80+48）m預應力混凝土連續+2-32m預應力混凝土簡支梁，全橋共設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，該橋墩在澆筑實心段（4m，混凝土為方）的施工過程中出現細小的裂縫。

2 裂縫形成的原因分析

2.1 溫度

置于自然環境中的混凝土結構，長期經受自然界氣溫的變化和日輻射等劇烈作用。由于混凝土結構的熱傳導性能差，其周圍環境氣溫以及日輻射等作用，將使表面溫度迅速上升或下降，但結構的內部溫度仍處于原來狀態，在混凝土結構中形成較大的溫度梯度，混凝土結構的各部分處于不同溫度狀態。由此產生的溫度變形，當被結構的內、外約束阻礙時，會產生相當大的溫差應力。在橋梁結構中，由于這種溫度荷載產生的應力，有時甚至比荷載產生的應力還要大，甚至使混凝土結構物發生嚴重裂損。由溫度變化產生裂縫情況一般有以下兩種：（1）承臺（或基礎）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）澆筑時產生的溫度變形已經趨于穩定，薄壁墩墩身新澆混凝土在溫度應力作用下，受到底板約束產生壓應力，這時，由于早期混凝土彈模小、徐變度大還處在塑性狀態，壓應力很快就被松弛掉，而當混凝土溫度下降時，由于承臺（或基礎）對降溫引起的收縮的約束，混凝土內部出現較大的拉應力，當拉應力超過混凝土極限抗拉強度時，薄壁墩墩身便會出現裂縫。（2）內外溫差及氣溫驟降情況。混凝土澆筑溫度較高，在早齡期遇晝夜溫差顯著或寒潮襲擊等內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體，這時內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揮作用，從而在混凝土表層產生拉應力。這個拉應力可能會導致混凝土表面開裂。施工期間實測溫度如圖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。混凝土澆筑后，未硬化仍處塑性狀態時就出現的裂縫。混凝土在澆筑成形后，表面的水被蒸發，而混凝土內部的水分通過泌水和毛細管的作用上升到表面補充，混凝土隨著水分的蒸發而收縮。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、風速大和干燥的環境中，或者被模板及基礎吸收，表面的水迅速被揮發或吸干，而內部的水分補充不及，造成表面體積收縮過大，而此時混凝土尚未有足夠的強度抵抗，因而產生塑性收縮紋。

2.2.2 干燥收縮裂縫。混凝土在硬化后，一般在3d～5d的時間，如果養護不足或處于高溫干燥的環境，混凝土的收縮較大，而此時混凝土的水化熱已達到或經過了最大值，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，混凝土會產生收縮應力，如果應力超過混凝土自身的抗拉強度，則會產生干燥收縮裂縫。

2.3 構造

由于薄壁墩臺的結構厚度較小，該墩厚度為55cm，厚度小，截面的抗拉能力低，大面積的表面產生的收縮力很容易超過混凝土的抗拉力，因而導致出現貫通的裂縫。薄壁墩臺的底部設計一般與大體積的承臺固結，承臺與墩臺之間由大量的鋼筋聯結，約束的剛度極大，造成墩臺混凝土在變形時產生較大的應力，這也是形成裂縫的主要原因。

2.4 材料

水泥質量不符合要求，混凝土出現了離析與泛漿現象。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，導致水泥、水和細集料的用量增大，增加了混凝土的收縮量。

3 裂縫的預防措施

3.1 設計階段

薄壁墩臺由于自身屬容易開裂的結構，預防裂縫如能在設計階予以詳細考慮，解決結構本身的“先天不足”問題，將大大減少在施工階段預防裂縫的難度。

（1）在滿足受力條件的情況下，單幅薄壁墩臺的橫向結構設計寬度應盡量減小。寬度較大的薄壁墩宜在中間增設永久的變形縫，減少橫向的收縮量。（2）適當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生作用有限，但能降低裂縫的寬度和減少出現貫通裂縫。（3）從預防裂縫的角度，在滿足強度要求的情況下，混凝土的設計標號宜低不宜高。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）在結構型式上考慮減少基礎對墩（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

大量的事實表明，薄壁墩出現裂縫主要是由于施工中對裂縫的認識不足和對預防措施不重視所致，往往在施工配合比設計、混凝土的澆筑和養護時，只注重達到混凝土的強度指標和其他設計的具體要求，忽略了對裂縫的控制考慮。根據裂縫形成的規律，結合以上實例分析結果，施工階段預防變形裂縫的主要措施有： （1）把裂縫控制作為一項重要的技術指標，精心做好混凝土的施工配合比設計。這是預防變形裂縫首要和根本的措施。①嚴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、細骨料的良好級配達到設計強度。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，更不能超過規定的合理范圍，特別對那些收縮性能指標不明確的減水劑，更加要慎重使用。④考慮適當摻加膨脹劑增加混凝土的抗收縮能力。（2）施工方案設計時，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展趨勢，但從預防變形裂縫角度看，特別對高標號或寬度較大的薄壁墩臺的混凝土施工，應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部溫度進行監測（見圖3）。（5）嚴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倉，并且振搗要充分。（6）加強養護，宜采用麻袋覆蓋淋水的方法養生，達到保溫和保濕的作用，不宜采用直接淋水養護。在溫差較大的天氣，要設置專門的保溫措施。建議采用在表面噴養護劑并覆蓋麻袋淋水養生雙重養護的辦法，保證養護的效果。

4 結語

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現混凝土表面裂縫，從而保證了該橋高墩混凝土的施工質量。

參考文獻

[1]蔣玉龍.寒冷干燥地區橋梁混凝土薄壁墩防裂技術研究[D].武漢理工大學，2007.

[2]史永濤.變截面空心薄壁墩混凝土收縮徐變試驗研究[D].鄭州大學，2009.

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