大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁施工裂縫控制

姚利郎

（山西省交通建設(shè)工程監(jiān)理有限責(zé)任公司，山西 太原 030012）

1 概述

預(yù)應(yīng)力在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，解決了公路橋梁大跨徑技術(shù)瓶頸，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)通過(guò)高強(qiáng)鋼筋對(duì)混凝土的預(yù)壓，不僅充分發(fā)揮了高強(qiáng)材料的特性，而且提高了混凝土的抗裂性能，從而可使結(jié)構(gòu)跨徑大幅提高。近年來(lái)我國(guó)建成了多座代表性的大跨徑橋梁，由于混凝土結(jié)構(gòu)中三向預(yù)應(yīng)力的應(yīng)用，使混凝土結(jié)構(gòu)受力更加復(fù)雜，造成橋梁在建設(shè)、營(yíng)運(yùn)過(guò)程出現(xiàn)許多裂縫質(zhì)量病害[1]。橋梁混凝土結(jié)構(gòu)裂縫，輕則影響使用壽命，重則危及結(jié)構(gòu)安全，主梁應(yīng)力裂縫是品質(zhì)工程時(shí)代大型橋梁工程亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋裂縫產(chǎn)生原因是多方面的，涉及預(yù)應(yīng)力、模型驗(yàn)算、構(gòu)造配筋、混凝土配合比、施工工藝、環(huán)境條件、日常養(yǎng)護(hù)等多方面。橋梁上部混凝土預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中，縱向預(yù)應(yīng)力用于抵抗縱向受拉和部分剪力；豎向預(yù)應(yīng)力用于抵抗受剪；橫向預(yù)應(yīng)力用于抵抗橫向受彎。豎向預(yù)應(yīng)力能夠提供混凝土箱梁腹板豎向壓力儲(chǔ)備，改善腹板混凝土豎向應(yīng)力。混凝土的收縮徐變，預(yù)應(yīng)力的張拉錨固等施工過(guò)程，都會(huì)產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失，徐變還會(huì)引起結(jié)構(gòu)次內(nèi)力，可能導(dǎo)致腹板斜裂縫出現(xiàn)。

本質(zhì)上講，混凝土箱梁出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫（受力裂縫），都是由于其拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的極限抗拉強(qiáng)度，或結(jié)構(gòu)拉應(yīng)變超過(guò)了混凝土材料容許應(yīng)變極限，即混凝土結(jié)構(gòu)抗變形能力不能滿足實(shí)際需求所引起[2]。混凝土結(jié)構(gòu)裂縫按產(chǎn)生原因可分為荷載裂縫和變形裂縫兩大類(lèi)，荷載包括橋梁自身重量靜載、鋼筋預(yù)應(yīng)力和運(yùn)營(yíng)車(chē)輛的動(dòng)載，統(tǒng)計(jì)表明，荷載裂縫一般占裂縫總數(shù)20%；變形裂縫主要指溫度、收縮、基礎(chǔ)不均勻沉降引起的裂縫，占裂縫總數(shù)80%[3]。

本文依托實(shí)體工程，對(duì)大跨徑懸臂預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，施工過(guò)程經(jīng)常出現(xiàn)的腹板裂縫質(zhì)量病害，通過(guò)裂縫狀況歸類(lèi)，原因分析，采取應(yīng)對(duì)措施，附以量測(cè)驗(yàn)證，進(jìn)行有效性檢驗(yàn)，指導(dǎo)后續(xù)施工，達(dá)到減少或消除腹板裂縫，提高結(jié)構(gòu)的耐久性，實(shí)現(xiàn)品質(zhì)工程目標(biāo)。

2 依托工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

某黃河特大橋全長(zhǎng)2.133 km，橋面凈寬2×14.75 m，上部結(jié)構(gòu)主橋采用（82.68+4×152+82.8）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁-連續(xù)剛構(gòu)組合體系，下部構(gòu)造主墩采用空心薄壁墩，樁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。連續(xù)梁-連續(xù)剛構(gòu)組合體系橋是連續(xù)梁和連續(xù)剛構(gòu)的組合體系。通常是中間跨且橋墩較高的數(shù)孔采用墩梁固結(jié)的剛構(gòu)體系，邊上幾孔則采用連續(xù)體系。該主梁橋墩全橋統(tǒng)一編號(hào)為8～14號(hào)墩，其中8號(hào)、14號(hào)為交界墩，9號(hào)、12號(hào)、13號(hào)為球型支座連續(xù)墩，10號(hào)、11號(hào)為與主梁固結(jié)的剛構(gòu)墩。主橋上部采用雙幅設(shè)置，單幅主梁截面形式為單箱單室，頂板寬15.75 m，底板寬8 m，翼緣板懸臂長(zhǎng)3.875 m，墩頂0號(hào)塊梁高9.5 m，跨中合攏段梁高3.4 m，主墩根部至跨中合攏段梁高按1.7次拋物線變化。懸臂梁段頂板厚度32 cm，底板厚度32～90 cm，腹板厚度50～70 cm，0號(hào)塊頂板加厚至50 cm，底板加厚至120 cm，腹板加厚至105 cm。箱梁頂設(shè)2%橫坡，梁底保持水平，兩側(cè)腹板不等高。

3 主梁0號(hào)梁段裂縫控制

根據(jù)主梁0號(hào)塊段結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)高（C55），結(jié)構(gòu)層厚度較厚，底板 120 cm，腹板105 cm，大于大體積混凝土最小控制厚度100 cm限值，結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋配筋率高達(dá)0.15，預(yù)應(yīng)力管道密集，采用托架工藝，墩體與托架共同承受結(jié)構(gòu)荷載。控制混凝土水化熱溫度應(yīng)力，增大混凝土流動(dòng)性能，保證預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)混凝土強(qiáng)度，將是混凝土澆筑成功，避免結(jié)構(gòu)裂縫的關(guān)鍵。

3.1 原材料選擇

水泥選用內(nèi)蒙天皓P.052.5，主要控制指標(biāo)，抗壓強(qiáng)度 R28穩(wěn)定在 55～58 MPa，比表面積 As≤360 m2/kg；碎石采用5～25 mm連續(xù)級(jí)配，壓碎值小于等于20%；細(xì)集料采用機(jī)制砂與天然砂組成混合砂，主控細(xì)度模數(shù)Mx在2.72±0.05，0.6 mm孔通過(guò)率18.0%～23.0%；粉煤灰Ⅰ級(jí)，主控活性指數(shù)大于等于80%；外加劑ART-2高性能減水劑，主控減水率在28%～30%，塌落度損失1 h不大于30 mm。

3.2 配合比設(shè)計(jì)

重視耐久性，總堿含量、氯離子含量符合特殊結(jié)構(gòu)橋規(guī)規(guī)定，降低水泥用量，控制水化熱溫升，保證新拌混凝土黏聚適中，和易性良好，減少溫差裂縫。專(zhuān)題研究，優(yōu)化試配強(qiáng)度富余系數(shù)，根據(jù)前期混凝土強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)分析，調(diào)整配合比設(shè)計(jì)控制參數(shù)，28 d控制強(qiáng)度59.0～62.0 MPa，56 d控制強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)規(guī)程試配要求64.9 MPa。混凝土入模塌落度160～210 mm，水膠比（W/B）不大于 0.38，流動(dòng)度 450～550 mm。試驗(yàn)確定0號(hào)塊C55混凝土設(shè)計(jì)配合比水泥∶粉煤灰∶細(xì)集料∶碎石∶水∶減水劑∶聚丙烯纖維 =376∶106∶683∶1 091∶164∶6.51∶0.9。R28=62.1 MPa，R56=65.5 MPa，28 d 齡期抗壓彈性模量 Ec=46.3 GPa，水膠比 W/B=0.34，堿含量 R2O=1.600 kg/m3，氯離子含量CL-=0.045%。

3.3 控制裂縫技術(shù)措施

a）減小水泥用量376 kg/m3，增加粉煤灰摻量22%，控制水化溫升，穩(wěn)定膠凝材料總量482 kg/m3保證設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

b）優(yōu)化水泥技術(shù)指標(biāo)，控制比表面積不大于360 m2/kg，推遲水化熱溫度峰值時(shí)間，減小凝結(jié)過(guò)程混凝土收縮，提高混凝土抗裂性能。

c）細(xì)集料采用混合砂，保持可泵流動(dòng)性，提高混凝土強(qiáng)度，控制水泥用量。

d）混凝土中摻加0.9 kg/m3的聚丙烯纖維，增大混凝土的容許極限應(yīng)變，合理控制彈性模量，改善和易性，提升抗裂能力[4]。

e）在0號(hào)塊結(jié)構(gòu)底部及腹板外側(cè)鋼筋保護(hù)層混凝土內(nèi)增設(shè)D8 CRB500 100×100焊接鋼筋網(wǎng)片，分散混凝土表面應(yīng)力，減少因應(yīng)力集中導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)表面裂縫。

4 懸臂施工梁段裂縫控制

懸臂澆筑屬于典型的自架設(shè)施工方法，由于連續(xù)梁橋、連續(xù)剛構(gòu)橋在施工過(guò)程中的已成結(jié)構(gòu)（懸臂節(jié)段）狀態(tài)是無(wú)法事后調(diào)整的，采用懸臂施工技術(shù)的大跨度橋梁，施工中的不合理誤差狀態(tài)如不能及時(shí)地加以識(shí)別和處理，主梁應(yīng)力發(fā)生積累，達(dá)到超出設(shè)計(jì)安全狀態(tài)而發(fā)生施工事故。懸臂施工階段控制關(guān)鍵為：結(jié)構(gòu)線形、內(nèi)力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及時(shí)修正，混凝土泵送性好可泵時(shí)間長(zhǎng)，按設(shè)計(jì)成橋周期，節(jié)段混凝土預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)間宜控制在5 d內(nèi)，配合比早期強(qiáng)度及彈性模量增長(zhǎng)要快，預(yù)應(yīng)力施加次序合理、加載量控制精準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力損失小、效能高。

4.1 原材料控制

在0號(hào)梁段材料基礎(chǔ)上，細(xì)集料加強(qiáng)含水率波動(dòng)控制，增加混凝土的可泵性，外加劑加強(qiáng)減水率穩(wěn)定及塌落度損失的控制，粉煤灰重點(diǎn)控制活性指數(shù)不得小于80%，保證混凝土早期強(qiáng)度增長(zhǎng)。

4.2 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)自架設(shè)工藝特點(diǎn)，后續(xù)塊段靠前面施工結(jié)構(gòu)承載，結(jié)合合同工期，混凝土設(shè)計(jì)條件確定為：5 d齡期，抗壓強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)90%，彈性模量不低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值35.5 GPa，滿足工序轉(zhuǎn)換條件；入模塌落度160～200 mm，保證澆筑混凝土和易可泵，整體均勻不離析，試驗(yàn)表明塌落度大于200 mm時(shí)，混凝土容易產(chǎn)生離析現(xiàn)象。主梁懸臂施工C55設(shè)計(jì)配合比為：水泥∶粉煤灰∶細(xì)集料∶粗集料∶水∶減水劑 =393∶86∶685∶1 093∶163∶6.23。

4.3 裂縫控制措施

前期主梁1～4號(hào)節(jié)段混凝土施工中，在現(xiàn)澆箱梁38個(gè)塊段腹板內(nèi)側(cè)發(fā)現(xiàn)23道裂縫，其中19道在預(yù)應(yīng)力槽口下方，與下彎預(yù)應(yīng)力束基本平行的向上斜裂縫，位置距塊段前端50～70 cm，延腹板向后展開(kāi)，長(zhǎng)度30～200 cm，出現(xiàn)時(shí)機(jī)在縱向預(yù)應(yīng)力束張拉以后；1道水平裂縫，與施工縫重合，長(zhǎng)度較短20～30 cm，縫中伴有白色膠凝物析出；3道豎向裂縫，與結(jié)構(gòu)中豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋孔道平行，長(zhǎng)度280～400 cm，寬0.09 mm。經(jīng)分析采取以下技術(shù)措施：

a）腹板內(nèi)側(cè)槽口以下增設(shè)D8 CRB550 100×100焊接鋼筋網(wǎng)片，用于分散混凝土表面應(yīng)力集中。

b）通過(guò)專(zhuān)題研討，經(jīng)設(shè)計(jì)驗(yàn)算確認(rèn)，調(diào)整預(yù)應(yīng)力張拉次序。由先縱向后豎向再橫向，調(diào)整為先豎向后縱向再豎向再橫向，優(yōu)化豎向預(yù)應(yīng)力施加時(shí)機(jī)[5]。豎向預(yù)應(yīng)力先于縱向預(yù)應(yīng)力按雙80（混凝土強(qiáng)度80%，預(yù)應(yīng)力施加80%）預(yù)張拉，預(yù)先給腹板混凝土部分豎向壓力儲(chǔ)備，用于平衡超靜定體系底板對(duì)腹板的負(fù)彎矩效應(yīng)，及張拉縱向預(yù)應(yīng)力時(shí)因剛束多且下彎角度大而產(chǎn)生較大的豎向分力（水平夾角大于30°）而在錨固面下方產(chǎn)生的拉應(yīng)力，隨后進(jìn)行縱向預(yù)應(yīng)力張拉及掛籃移動(dòng)等工序施工。正常施工3個(gè)節(jié)段后，也即混凝土齡期到27～33 d，再進(jìn)行腹板預(yù)應(yīng)力二次張拉至設(shè)計(jì)荷載，以及橫向預(yù)應(yīng)力張拉，用于補(bǔ)償混凝土強(qiáng)度形成過(guò)程的徐變及施工過(guò)程引起的預(yù)應(yīng)力損失，同時(shí)平衡結(jié)構(gòu)內(nèi)力。

c）細(xì)化材料穩(wěn)定性控制，重視混凝土的可泵性，嚴(yán)控離析，入模塌落度不得大于200 mm。

d）加強(qiáng)振搗，尤其底板與腹板交界處和改變混凝土澆筑入模時(shí)的結(jié)合面，振搗棒需有效插入下層重塑混凝土，消除分層可能引起的水平裂縫。

e）控制早期應(yīng)力，加強(qiáng)對(duì)豎向波紋管的定位準(zhǔn)確性控制，消除因軸線變化造成的附加應(yīng)力，尤其豎向預(yù)應(yīng)力精軋螺紋鋼大于7.5 m較長(zhǎng)靠前主梁節(jié)段，消除腹板豎向裂縫。

f）建議必要時(shí)在混凝土配合比中增加聚丙烯纖維，適當(dāng)降低混凝土彈性模量，增加容許應(yīng)變，提高混凝土自身抗裂能力。

4.4 代表性斷面監(jiān)控量測(cè)

在主梁懸臂施工過(guò)程中，根據(jù)施工進(jìn)展，進(jìn)行了以下應(yīng)力監(jiān)測(cè)，每個(gè)斷面布設(shè)5個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，布設(shè)位置見(jiàn)圖1，頂板、底板應(yīng)力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2～圖5。

圖1 主梁應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置（單位：cm）

圖2 11號(hào)墩主梁1號(hào)塊河曲向截面應(yīng)力曲線

圖3 11號(hào)墩主梁1號(hào)塊內(nèi)蒙向截面應(yīng)力曲線

圖4 12號(hào)墩主梁1號(hào)塊截面河曲向應(yīng)力曲線

圖5 12號(hào)墩主梁1號(hào)塊截面內(nèi)蒙向應(yīng)力曲線

從主梁應(yīng)力隨施工過(guò)程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)看，主梁關(guān)鍵斷面懸臂根部截面應(yīng)力為壓應(yīng)力，實(shí)測(cè)值較理論值差距不大，11號(hào)墩最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在9號(hào)墩、12號(hào)墩固結(jié)解除到掛籃拆除（三次合攏）之間，頂板為14.83 MPa；12號(hào)墩最大應(yīng)力出現(xiàn)在12號(hào)墩與11號(hào)墩中跨合攏（二次合攏）后，頂板為19.89 MPa，都小于容許應(yīng)力（24.85 MPa），表明主梁施工期應(yīng)力處于安全狀態(tài)。

4.5 實(shí)施效果

統(tǒng)計(jì)代表性的主梁懸臂混凝土塊1～4號(hào)節(jié)段總計(jì)80個(gè)塊段，前期常規(guī)工藝施工38個(gè)塊段混凝土，出現(xiàn)裂縫23條，裂縫率60.5%；采取除改變張拉次序外技術(shù)措施后，施工42個(gè)塊段混凝土，出現(xiàn)裂縫9道，但裂縫相比前階段變細(xì)變短，裂縫率21.4%，說(shuō)明以上措施可有效控制裂縫，但并非關(guān)鍵因素能消除裂縫；經(jīng)與設(shè)計(jì)代表專(zhuān)題研討，改變?cè)O(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力張拉次序，先進(jìn)行豎向預(yù)應(yīng)力筋預(yù)張拉80%后，再進(jìn)行縱向預(yù)應(yīng)力束張拉，及滯后3個(gè)節(jié)段進(jìn)行橫向、豎向預(yù)應(yīng)力束張拉。施工9號(hào)墩到13號(hào)墩主梁混凝土1～19號(hào)塊剩余300個(gè)箱梁節(jié)段。檢測(cè)統(tǒng)計(jì)10號(hào)墩右幅16號(hào)節(jié)段2道腹板斜裂縫，11號(hào)墩左幅17號(hào)節(jié)段2道腹板斜裂縫，裂縫率4/300=1.33%，基本消除腹板斜裂縫。

5 試驗(yàn)成果

a）根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合施工工藝，進(jìn)行配合比專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)，采用高性能混凝土體系，0號(hào)梁段加大粉煤灰用量，提高和易性，控制水化熱溫升，有效減少溫差裂縫；懸臂梁段，優(yōu)化細(xì)集料級(jí)配，增加可泵性，重視外加劑穩(wěn)定性控制，提高早期強(qiáng)度，方便工序轉(zhuǎn)換。

b）0號(hào)梁段采取控制水化熱，底部及腹板外部設(shè)鋼筋網(wǎng)片，配合比摻聚丙烯纖維綜合措施，混凝土沒(méi)有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力裂縫及變形裂縫。

c）懸臂梁段施工的箱梁（1～4號(hào)節(jié)段下彎預(yù)應(yīng)力束水平夾角F1 45°F2 40°F3 30°F4 30°）腹板內(nèi)側(cè)槽口下部，隨機(jī)出現(xiàn)順縱向預(yù)應(yīng)力管方向的斜向裂縫。通過(guò)腹板內(nèi)側(cè)預(yù)應(yīng)力筋孔道下部增設(shè)鋼筋網(wǎng)片，腹板裂縫率由60.5%降低到21.4%，采取先豎向預(yù)張拉，優(yōu)化張拉次序綜合措施后，裂縫率降低到1.33%，有效解決了腹板斜裂縫問(wèn)題。

d）腹板斜向裂縫寬度量測(cè)在0.01～0.12 mm范圍，且隨主梁節(jié)段向前推進(jìn)，監(jiān)測(cè)截面總體受壓，腹板裂縫寬度變小，有愈合趨勢(shì)。

e）主梁混凝土箱梁根部截面，在主梁施工過(guò)程中，上下緣應(yīng)力效驗(yàn)系數(shù)小于1，且受力較小，表明主梁應(yīng)力處于安全狀態(tài)。

6 成果應(yīng)用

根據(jù)前期試驗(yàn)，結(jié)合專(zhuān)題研討，確定懸臂梁（1～4號(hào)）節(jié)段采取在縱向波紋管下部增設(shè)100×100 D8 CRB鋼筋網(wǎng)片，同時(shí)所有后續(xù)節(jié)段，優(yōu)化豎向預(yù)應(yīng)力二次張拉控制，豎向精軋螺紋鋼預(yù)應(yīng)力先于縱向預(yù)應(yīng)力按雙80（混凝土強(qiáng)度80%，施加荷載80%）進(jìn)行預(yù)張拉，第二次施加在混凝土施工3個(gè)階段后，齡期約27～33 d，彌補(bǔ)混凝土徐變及施工引起的預(yù)應(yīng)力損失，及時(shí)壓漿。結(jié)合監(jiān)控量測(cè)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，基本消除了施工期腹板斜裂縫及豎向裂縫。