大噸位預制箱梁早期裂紋成因及防治措施

管昱華

（中鐵二局集團新運工程有限公司，四川成都 610031）

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大噸位預制箱梁早期裂紋成因及防治措施

管昱華

（中鐵二局集團新運工程有限公司，四川成都 610031）

摘要：大噸位整孔預制箱梁由于體量龐大及水泥用量高等特點易產生早期裂紋，影響箱梁的力學性能及耐久性能。文中依托某高速公路項目實際工程，分析了預制箱梁不同種類早期裂紋的產生原因，并結合施工經驗，分別從砼工藝、鋼筋保護層厚度控制、預張拉前后模板工藝及砼養護工藝和預應力張拉工藝調整等方面進行優化改進，提出整改措施，預防大噸位預制箱梁早期裂紋的產生。

關鍵詞：橋梁；大噸位預制箱梁；早期裂紋；防治措施

近年來，中國高速公路事業發展迅速，施工技術及質量標準不斷提高。大噸位預應力砼整孔預制箱梁以其結構剛度大、整體性好、工程質量可靠及快速施工等特點，在高速公路建設中得到較廣泛應用。但由于大噸位整孔預制箱梁體量龐大、水泥用量高等特點導致砼早期產生裂紋，影響箱梁的力學性能及耐久性能，進而影響橋梁的安全運營。因此，如何采取合理有效的措施預防早期裂紋的產生，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，除部分采用現澆整體箱梁外，大部分采用工廠化分幅集中預制箱梁。箱梁采用C50砼，其典型35 m預制箱梁外形尺寸如圖1所示，箱梁重約800 t。

圖1　預制箱梁外形尺寸（單位：cm）

該預制箱梁預應力施工分為預張拉、初張拉及終張拉3個階段，預應力鋼束布置如圖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片箱梁在內模脫出后內箱均發現裂紋：第一片內箱頂板至腹板豎向裂紋4處、長懸臂翼板下斜向裂紋2處（如圖3～5所示），第二片內箱頂板至腹板豎向裂紋9處、長懸臂翼板下斜向裂紋1處、不規則裂紋1處（如圖4～8所示）。下面結合以往施工經驗及相關理論分析箱梁裂紋的成因。

圖2　預應力鋼束布置（單位：cm）

表1　預應力鋼束張拉方案

圖3　第一片箱梁長懸臂側腹板裂紋位置示意圖（單位：cm）

圖4　第一片箱梁短懸臂側腹板裂紋位置示意圖（單位：cm）

2.1內箱頂板至腹板豎向裂紋的產生原因

（1）砼配合比。對2片箱梁腹板主要3個斷面（T40、T60、T110）水化熱溫度場進行監測，腹板最厚處（T110斷面）溫度最高，最高溫度分別為74.5 和75.6℃，且水化熱高溫出現時間早，持續時間長（70℃以上高溫持續超過24 h）。水化熱峰值過高、局部溫度應力偏大是造成砼開裂的原因之一。

（2）砼保護層厚度。該預制箱梁內箱腹板砼保護層厚度設計為3 cm，而現場通過鋼筋保護層測厚儀測量，第二片箱梁內箱長懸臂側變截段處保護層厚度普遍達到5 cm。保護層厚度超標，鋼筋對于砼的變形約束減小，導致第二片箱梁內箱長懸臂側變截段處豎向裂紋比第一片梁多。

（3）預應力預張拉。大噸位預制箱梁可通過預張拉預防梁體早期砼裂紋的產生。該高速公路箱梁在預制過程中亦采用預張拉工藝，但仍有裂紋產生，其原因可能是預張拉應力偏小，砼壓應力不足，不能遏制砼表面裂紋的產生，預張拉未達到預期效果。

（4）內箱齒板模型對梁體的約束作用。大噸位預制箱梁設計為帶模預張拉，與傳統鐵路預制箱梁不同的是該箱梁內箱預留后期結構體系轉換張拉齒板，預張拉時內箱齒板模型緊貼相鄰的齒板和梁體砼面，由于內箱齒板模型對梁體的約束作用，導致預張拉時齒板模型消耗一定的預壓應力，使砼向中部的預壓應力傳遞減小，導致產生裂紋。

圖5　第一片箱梁翼緣板下裂紋位置示意圖（單位：cm）

圖6　第二片箱梁長懸臂側腹板裂紋位置示意圖（單位：cm）

圖7　第二片箱梁短懸臂側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內箱不規則裂紋的產生原因

不規則裂紋主要表現為干縮裂紋，因該箱梁噸位大，結構非對稱，箱內結構復雜，導致脫內模時間過長，造成內箱表面砼長時間暴露，若人工灑水養護不到位，砼表面將嚴重失水，且箱內外、砼表面與環境溫度相差過大，砼內、外收縮變形不一致，當砼變形產生的收縮應力大于砼的抗拉強度時，將導致砼表面開裂。

2.3長懸臂翼板下斜向裂紋的產生原因

該箱梁預張拉、初張拉均在制梁臺位固定式底側模上進行，由于該箱梁長懸臂長度過大（達3.8 m），在預應力張拉過程中，固定式底側模限制了長懸臂翼緣板向下變形的趨勢，導致箱梁端頭翼緣板下集中受力，長懸臂翼板下產生斜向裂紋。

3　防治措施

針對上述成因，結合多年施工經驗，分別從砼工藝改進、鋼筋保護層厚度控制、預張拉前后模板工藝及砼養護、預應力張拉工藝調整等方面進行優化改進，采取措施預防早期裂紋的產生。

3.1砼工藝方面

（1）該箱梁采用C50砼，通過試拌對配合比進行再優化調整，降低水化熱峰值和速率。1）新增砼配合比（PHB15-003-1）。一是對減水劑進行調試，增加緩凝成分，增大初凝及終凝時間，在此基礎上進行試拌驗證，查看配合比的凝結時間；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）砼澆筑過程中，加強振搗工藝以減少水化熱，提高砼的密實性和抗拉強度。

表2　優化C50砼理論配合比

3.2鋼筋保護層厚度控制

（1）施工過程中對鋼筋骨架尺寸進行嚴格控制，確保骨架及鋼筋輪廓尺寸滿足保護層要求。

（2）底腹板筋入模后，對腹板外側鋼筋保護層情況進行檢查，并測量腹板、底板鋼筋輪廓至外模的尺寸，以核實腹板內側保護層是否滿足要求。內模吊入后再次核實，特別是變截段處保護層厚度，確保保護層超差在設計范圍內。

3.3預張拉前后模板工藝及養護整改措施

箱梁預制完成后，由于前期凝結固化，砼水化熱劇烈反應，導致箱梁溫度應力變化劇烈。加上前期砼未受到外界施加的預應力，極易產生裂紋。故該階段模板安裝、拆除工藝及砼養護是防治裂紋產生的重要因素之一。

（1）箱梁預制模板均為新制鋼模，側模與底模采用整體焊接固定于制梁臺座，內模采用液壓式，齒塊處模板人工安裝、拆除，實現內模整體安裝及脫模。在側模外側安裝彩鋼板密封兩側翼緣板下模板空間，控制砼澆筑后腹板外側與環境間的溫差（如圖9所示）。

（2）為減少預張拉時內模及齒板模板對箱梁的約束，在內模變截面及齒板處設置壓縮橡膠條，預張拉前取出壓縮橡膠條，以減少預應力損失。

圖9　側模彩鋼板封閉兩側翼緣板下模板空間

（3）盡早脫除端模，砼強度大于10 MPa后及時進行，脫模后采用噴霧霧化進行保濕養護，嚴禁直接用水噴灑砼面。

（4）端模拆除后，拆除內模小件固定螺栓，并在預張拉前將內模孔口及變截面模板松開，以防止內模對梁體的約束，此時內模高度不能下降。作業人員進入內箱前，對內箱適當通風，內模模板面收起后禁止通風，應立即用高壓清洗機將噴頭調成噴霧狀態對砼面適當濕潤。

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

（6）內模卷起前對砼芯部與表層、箱內與箱外、表層與環境溫差進行檢查確認，小于15℃時方可進行拆模。溫差超過要求時不得脫模，需采取逐漸通風、噴霧等降溫措施進行降溫處理，降溫速度不超過10℃/h。溫差達到要求后方可拆模，氣溫急劇變化時不應脫模。

（7）內模拉出后，用篷布將孔口遮蓋，防止穿堂風造成箱內溫度驟降。

（8）內模脫出后嚴禁用水直接沖刷砼面，應采用高壓水槍調成噴霧狀態對腹板進行養護，保持腹板砼面濕潤即可。當養護用水與砼表面溫差在10℃以下時，方可直接灑水養護。噴霧養護或灑水養護頻率不少于1次/h，以砼面保持濕潤為度。

3.4預應力張拉工藝

通過預應力預張拉可有效預防砼早期裂紋的產生，但預張拉應力過小則達不到預張效果，預張拉應力過大則會導致砼變形甚至損壞。因此，合理的預張拉方案對早期裂紋的控制尤為重要。

通過有限元軟件計算分析，該箱梁原設計方案預張拉應力過小，需提高預張拉應力。將預張拉方案進行調整（如表3所示），并對原設計及調整后的預張拉方案分別進行檢算。

表3　預制梁預應力束張拉順序及控制應力

對調整前后預制箱梁預張拉方案進行檢算，結果表明：采用原設計預張拉方案，當預制梁的砼澆筑完成、縱向預應力鋼束預張拉完成后，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力的作用，最大壓應力為1.12 MPa。采用調整后預張拉方案，當預制梁的砼澆筑完成、縱向預應力鋼束預張拉完成后，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力的作用，最大壓應力為1.49 MPa。調整后，梁體的變形很小，各控制截面縱向基本受壓應力的作用，調整后跨中斷面縱向壓應力增加0.37 MPa。

同時，根據鐵路預制箱梁施工經驗，參考鐵路相關規范要求，為保證及時預張拉，將預張拉時砼強度調整為砼設計強度的50%（原設計為60%）。

4　優化改進效果

對6片箱梁改進后效果進行觀測，結果如下：

（1）調整砼工藝后，T110斷面水化熱最高溫度62.1～66.7℃，高溫持續時間為16～18 h，有效降低了水化熱峰值和速率。

（2）內箱鋼筋保護層厚度合格率達到90%以上，且最大不超過40 mm。

（3）改進養護措施后未見內箱表面不規則收縮裂紋。

（4）預張拉前取出橡膠條，并按調整后的預張拉方案進行張拉，效果良好，梁體變形在設計范圍內，且脫內模后內箱未見豎向裂紋。

（5）預張拉前翼板模型松開后，預張拉、初張過程中梁端翼板未受力，箱梁提出后未見斜向裂紋。

在該高速公路工程后續箱梁批量生產過程中，均按上述整改措施進行施工，杜絕了早期裂紋的產生，證實上述改進措施切實可行，可為類似工程提供參考和借鑒。

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中圖分類號：U445.7

文獻標志碼：A

文章編號：1671-2668（2016）03-0226-05

收稿日期：2016-02-08