淺談全混凝土結(jié)構(gòu)斜拉橋施工期間裂縫成因及控制措施

蔣贏達(dá)

（上海公路投資建設(shè)發(fā)展有限公司，上海市200335）

1 概述

1.1 問題的提出

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(shí)，混凝土就可能開裂。混凝土開裂會導(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。

1.2 收縮

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。

1.3 約束

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?yàn)楸砻娴母稍锸湛s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。

1.4 裂縫

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(shí)的抗拉強(qiáng)度，則產(chǎn)生裂縫。

1.5 主要的控制措施

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]。

1.6 全混凝土結(jié)構(gòu)斜拉橋

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。

2 工程概況

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。跨徑為（125+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(jì)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(jì)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。

3 主墩承臺大體積混凝土裂縫控制

該橋單個(gè)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(gè)：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(diǎn)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(jì)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(yùn)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(jì)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?yàn)闇囟茸兓疤荻榷斐傻臏囟葢?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。

4 塔柱裂縫成因及控制

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(gè)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(shí)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(yàn)不足，此節(jié)段箱內(nèi)支撐系統(tǒng)的松模時(shí)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(shí)間與01#節(jié)段間隔時(shí)間為1個(gè)月左右，此時(shí)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(shí)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(gè)階段混凝土之間的間隔時(shí)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。

5 主梁翼緣板裂縫成因及控制

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(diǎn)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(gè)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(shí)（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(gè)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(yàn)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(shí)間約11 h能滿足混凝土澆筑要求（澆筑時(shí)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(shí)間：模板的拆除時(shí)間為第5天，三角桁架的行走時(shí)間為第5天，預(yù)應(yīng)力張拉的時(shí)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?yàn)槌霈F(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(gè)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(gè)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(diǎn)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(jì)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(gè)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。

6 結(jié)語

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(diǎn)，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(shí)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。

[1]危鼎.施工期混凝土構(gòu)件裂縫判斷與防治研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2009.

[2]洪景堯.混凝土結(jié)構(gòu)裂縫類型、產(chǎn)生原因和防治技術(shù)[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2004.

[3]王剛.淺析公路橋梁混凝土裂縫 [J].公路橋梁，2016，（10）：186-187.

[4]GB50666-2011，混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范[S].

[5]許艷朝.大體積混凝土工程施工的控制措施[J].河北工程技術(shù)高等專科學(xué)校學(xué)報(bào).2010，（4）：18-19.