鐵路箱梁靜載試驗(yàn)開(kāi)裂原因分析及控制措施

孫金更

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所國(guó)家鐵路產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京 100081)

鐵路箱梁靜載試驗(yàn)開(kāi)裂原因分析及控制措施

孫金更

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所國(guó)家鐵路產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京 100081)

通過(guò)預(yù)制后張法預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路橋箱形簡(jiǎn)支梁靜載試驗(yàn)出現(xiàn)的1.0級(jí)荷載開(kāi)裂問(wèn)題，對(duì)開(kāi)裂原因進(jìn)行全面分析。重點(diǎn)剖析由于蒸養(yǎng)拆模、混凝土水化熱高峰期拆模，造成混凝土芯部與表面、表面與環(huán)境溫差超過(guò)15 ℃的標(biāo)準(zhǔn)要求，致使混凝土內(nèi)部溫差應(yīng)力超過(guò)其抗拉極限強(qiáng)度而早期開(kāi)裂的原因。論證靜載試驗(yàn)在1.0級(jí)時(shí)，當(dāng)混凝土抗拉極限強(qiáng)度f(wàn)ct=0，則抗裂安全系數(shù)Kf=λ，梁體在靜載試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)1.0級(jí)開(kāi)裂的必然性，進(jìn)一步闡明混凝土溫差應(yīng)力超限是箱梁靜載試驗(yàn)開(kāi)裂的主要原因，提出預(yù)防出現(xiàn)早期裂縫的控制措施。

預(yù)應(yīng)力混凝土；箱形梁；靜載試驗(yàn)；抗裂性；開(kāi)裂原因；溫差應(yīng)力；水化熱

1 概述

客運(yùn)專線預(yù)制整孔簡(jiǎn)支箱梁以抗扭剛度大、受力明確、建設(shè)速度快、易保證質(zhì)量、建成后的橋梁養(yǎng)護(hù)工作量小以及低噪聲等優(yōu)勢(shì)，在鐵路客運(yùn)專線中被廣泛采用。鐵路預(yù)制梁箱梁自重較大、不易更換，要求其具有較好的耐久性。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂性能直接影響結(jié)構(gòu)的耐久性，保證結(jié)構(gòu)抗裂性非常必要。橋梁靜載彎曲抗裂性試驗(yàn)是檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)的重要手段，是檢驗(yàn)梁體抗裂性能和剛度是否滿足設(shè)計(jì)要求的常規(guī)方法。通過(guò)靜載試驗(yàn)，可以更好地掌握箱梁結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，判斷是否符合設(shè)計(jì)要求和正常受力狀態(tài)，可以完成對(duì)梁體承載能力和工作狀況的總體評(píng)價(jià)，是控制橋梁總體質(zhì)量的重要方法。根據(jù)《客運(yùn)專線預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制梁暫行技術(shù)條件》(以下簡(jiǎn)稱“《標(biāo)準(zhǔn)》”)以及相關(guān)規(guī)范要求，在梁體終張拉30 d后，除首孔梁進(jìn)行靜載試驗(yàn)外，每批次60片隨機(jī)抽樣進(jìn)行1件梁靜載試驗(yàn)。如靜載試驗(yàn)過(guò)程中在1.2級(jí)荷載內(nèi)出現(xiàn)受力裂縫，則判定不合格。如何在施工中采取措施，保證結(jié)構(gòu)抗裂性，是箱梁預(yù)制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為此，箱梁靜載試驗(yàn)開(kāi)裂原因以及控制措施有必要進(jìn)行深入探討。

2 箱梁結(jié)構(gòu)抗裂性分析

根據(jù)《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》( TB1002.3—2005)(以下簡(jiǎn)稱《橋規(guī)》)規(guī)定，對(duì)于不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，正截面抗裂性驗(yàn)算公式如下

(1)

(2)

式中Kf——抗裂安全系數(shù)，依據(jù)規(guī)范Kf≥1.2；

σ——計(jì)算荷載在截面受拉邊緣混凝土中產(chǎn)生的正應(yīng)力；

σc——扣除相應(yīng)階段預(yù)應(yīng)力損失后的混凝土的預(yù)壓應(yīng)力；

fct——混凝土抗拉極限強(qiáng)度，對(duì)C50混凝土，fct=3.10 MPa；

γ=2S0/W0——考慮混凝土塑性的修正系數(shù)；

S0——換算截面重心軸以下的面積對(duì)重心軸的面積矩，m3；

W0——對(duì)所檢算的拉應(yīng)力邊緣的換算截面抵抗矩，m3；

λ——預(yù)應(yīng)力度。

根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的統(tǒng)計(jì)資料，各種梁型主要設(shè)計(jì)參數(shù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 梁型設(shè)計(jì)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

由式(1)可知，抗裂安全系數(shù)Kf與預(yù)應(yīng)力度λ、混凝土塑性系數(shù)γ、混凝土抗拉極限強(qiáng)度f(wàn)ct有關(guān)，依據(jù)《橋規(guī)》規(guī)定：對(duì)于不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，按彈性階段檢算截面抗裂性，但在運(yùn)營(yíng)階段正截面抗裂檢算中，應(yīng)計(jì)入混凝土受拉塑性變形的影響，其Kf≥1.2，由式(1)和式(2)得λ+γfct/σ≥1.2，由表1可知對(duì)于某一橋梁結(jié)構(gòu)類型λ、γ、σ為定值，一般情況下λ在1.0～1.1，梁體抗裂性能否大于1.2主要取決于fct，如混凝土養(yǎng)護(hù)不到位，早期出現(xiàn)裂紋，則fct=0，這時(shí)梁體抗裂安全系數(shù)是不可能達(dá)到1.2的，因此，靜載試驗(yàn)中出現(xiàn)早期開(kāi)裂的主要原因是混凝土早期開(kāi)裂。

3 箱梁混凝土早期裂縫分析

混凝土裂縫可分為荷載引起的裂縫和非荷載因素引起的裂縫，早期裂縫主要是由于非荷載因素所引起的。非荷載因素裂縫主要包括收縮裂縫和溫度應(yīng)力裂縫。

3.1 收縮裂縫

收縮是混凝土在不受力的情況下，因體積變化產(chǎn)生的變形。當(dāng)混凝土不能自由收縮時(shí)，收縮的結(jié)果會(huì)在混凝土內(nèi)引起拉應(yīng)力而產(chǎn)生裂縫。早期混凝土的脹縮、水分蒸發(fā)收縮(2～12 h)、自生收縮等是近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的工程現(xiàn)場(chǎng)早期開(kāi)裂的主要原因，特別是高強(qiáng)混凝土的早期收縮量有可能很大。早期水化化學(xué)收縮、骨料下沉及砂漿上浮、表面水分蒸發(fā)等因素引起，后兩種在施工階段出現(xiàn)較多。研究表明，不同的水泥品種、水膠比、坍落度、摻合劑、養(yǎng)護(hù)條件等對(duì)早期的塑性收縮裂縫影響很大。箱梁為狹長(zhǎng)薄壁結(jié)構(gòu)，澆筑過(guò)程中混凝土不易密實(shí)，易導(dǎo)致骨料下沉水泥漿上浮，而出現(xiàn)表面裂縫。

3.2 溫度應(yīng)力裂縫

溫度應(yīng)力裂縫是混凝土箱梁早期開(kāi)裂的主要原因，溫度應(yīng)力與混凝土凝結(jié)硬化時(shí)的水化熱、養(yǎng)護(hù)制度、撤除蒸汽養(yǎng)護(hù)罩及拆模時(shí)的環(huán)境溫度、結(jié)構(gòu)的約束情況等密切相關(guān)。

(1)水化熱引起溫度梯度而開(kāi)裂。高速鐵路簡(jiǎn)支預(yù)制箱梁截面尺寸及混凝土體積較大，如時(shí)速350 km的32 m預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁，每片梁324 m3混凝土。混凝土澆筑完成后的初凝階段，水泥水化反應(yīng)快速，釋放大量的熱量，但熱量積聚在混凝土內(nèi)難以散發(fā)，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度迅速升高，而表面溫度低，因此造成混凝土芯部與表層、表層與外部空氣環(huán)境形成內(nèi)外溫差。當(dāng)混凝土內(nèi)外溫差較大，其產(chǎn)生的不均勻的溫度應(yīng)變?cè)谑艿交炷两Y(jié)構(gòu)件本身約束和外界約束時(shí)，將在混凝土硬化過(guò)程中產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，當(dāng)混凝土產(chǎn)生的這種溫度應(yīng)力達(dá)到一定程度而超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)就會(huì)開(kāi)裂。

(2)溫差的形成。拆模階段，由于拆模后的環(huán)境影響，混凝土表面溫度迅速降低，而內(nèi)部溫度降低速度緩慢，根據(jù)某工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，箱梁跨中及端部截面底板混凝土的水化熱下降規(guī)律是每小時(shí)降溫0.45～0.55 ℃，頂板每小時(shí)降溫0.35～0.45 ℃，腹板每小時(shí)降溫0.30～0.35 ℃，這樣就會(huì)形成芯部與環(huán)境的陡然溫差而產(chǎn)生溫度應(yīng)力。而在拆模時(shí)，依據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》要求混凝土的強(qiáng)度僅達(dá)到設(shè)計(jì)等級(jí)的60%，此時(shí)混凝土的抗拉強(qiáng)度較低，如溫度應(yīng)力超限極易產(chǎn)生早期裂縫。早期裂縫在梁體預(yù)施應(yīng)力后閉合，因此也經(jīng)常不被注意到，但開(kāi)裂的混凝土抗拉強(qiáng)度已經(jīng)喪失，在靜載試驗(yàn)階段，就出現(xiàn)了早期開(kāi)裂。

(3)混凝土伴隨溫度的升降會(huì)產(chǎn)生脹縮變形，此脹縮應(yīng)變決定于混凝土熱脹系數(shù)和溫度變化量。混凝土澆筑后升溫過(guò)程中還基本處于塑性或彈塑性狀態(tài)，此時(shí)彈性模量較低，變形能力很大，溫度應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響可以忽略不計(jì)，溫度變化對(duì)混凝土的影響主要表現(xiàn)在降溫階段。

在降溫階段，由于混凝土較差的導(dǎo)熱性，且結(jié)構(gòu)內(nèi)外降溫速率不同。當(dāng)混凝土受自身的非線性溫度場(chǎng)約束，或混凝土內(nèi)外形成較陡的溫差梯度時(shí)，外部混凝土的收縮明顯大于內(nèi)部混凝土的收縮，內(nèi)部混凝土對(duì)外部混凝土的收縮提供了約束，產(chǎn)生了混凝土表面的約束拉應(yīng)力，當(dāng)約束拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉極限時(shí)，梁體就會(huì)產(chǎn)生裂縫。因此，溫度裂縫是造成箱梁開(kāi)裂的主要因素之一，尤其降溫階段應(yīng)作為重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

以京滬高速鐵路32 m箱梁為研究對(duì)象，使用Midas FEA軟件建立實(shí)體單元模型，模型共有104 252個(gè)單元和133 506個(gè)節(jié)點(diǎn)，約束在實(shí)際支座位置并模擬4個(gè)支座的活動(dòng)方式?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C50。

計(jì)算工況：模擬混凝土芯部與表層-15 ℃溫差工況。箱梁外表面與內(nèi)表面均為-15 ℃，箱梁腹板、底板、頂板、頂板與腹板交接處及底板與腹板交接處的芯部溫度為0 ℃。

分析結(jié)果表明：芯部與表層的溫差致使底板上下表面產(chǎn)生約4 MPa的縱向應(yīng)力，腹板內(nèi)外表層產(chǎn)生3.8 MPa的縱向應(yīng)力。

一般情況下，設(shè)計(jì)要求拆模時(shí)混凝土強(qiáng)度為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的60%，相當(dāng)C30混凝土，其對(duì)應(yīng)彈性模量為3.2 GPa，約為C50混凝土彈性模量的0.9倍，但初期彈性模量增長(zhǎng)較慢，并不與強(qiáng)度呈對(duì)應(yīng)關(guān)系增長(zhǎng)，一般低于對(duì)應(yīng)強(qiáng)度等級(jí)的混凝土彈性模量，由某梁場(chǎng)試驗(yàn)資料，2 d時(shí)的彈性模量為C50混凝土彈性模量的0.6～0.8倍。因此本文將模型中混凝土彈性模量分別按0.8、0.6、0.4、0.2進(jìn)行折減后相應(yīng)計(jì)算，分析彈性模量對(duì)溫差應(yīng)力的影響(表2)，跨中截面縱向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明，底板和腹板應(yīng)力隨彈性模量降低也相應(yīng)降低。當(dāng)彈性模量在設(shè)計(jì)彈模0.8倍以下時(shí)，箱梁表面產(chǎn)生3.308 MPa以內(nèi)的溫差應(yīng)力，而考慮混凝土塑性變形修正系數(shù)1.5，對(duì)于C30混凝土γfct=1.5×2.2=3.3 MPa。即拆模時(shí)混凝土強(qiáng)度為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的60%、溫差應(yīng)力15 ℃時(shí)，梁體混凝土表面產(chǎn)生的混凝土溫差拉應(yīng)力(3.308 MPa)與混凝土自身的抗拉強(qiáng)度(3.3 MPa)相當(dāng)，說(shuō)明梁體混凝土表面具有抵抗溫差變形的能力，考慮鋼筋的約束作用，箱梁結(jié)構(gòu)在滿足芯部與表層15 ℃溫差時(shí)，具有足夠的抗裂性。

表2 底板底面應(yīng)力和腹板外層應(yīng)力與彈性模量折減系數(shù)關(guān)系

4 早期裂縫的控制措施

4.1 優(yōu)化混凝土的配合比，降低水化熱，減小內(nèi)部溫升

混凝土材料和配合比是影響早期裂縫的直接因素，選擇混凝土原材料、優(yōu)化混凝土配合比的目的是使混凝土具有較好的抗裂能力。即要求混凝土的絕熱溫升較小、抗拉強(qiáng)度較大、極限拉伸變形能力較大、熱強(qiáng)比較小、線膨脹系數(shù)較小，自生體積變形最好是微膨脹，至少是低收縮。在絕熱環(huán)境下，認(rèn)為混凝土水化熱沒(méi)有損耗，全部轉(zhuǎn)化為混凝土溫升的熱量值，絕熱溫升隨時(shí)間上升的規(guī)律由下式確定

(3)

式中W——水泥用量，kg/m3；

F——摻合料用量，kg/m3；

k——摻合料折減系數(shù)(對(duì)于粉煤灰，可取k=0.25)；

c——混凝土比熱，可取0.92 kJ/(kg·℃)；

ρ——混凝土密度，根據(jù)混凝土的配合比進(jìn)行取值。

從式(3)可以得出，若每m3混凝土減少10 kg的水泥用量，混凝土的水化熱溫升將隨之降低1 ℃左右。因此，在保證混凝土初張拉強(qiáng)度、彈性模量的前提下，可以采取的有效溫控措施就是要盡可能降低水泥用量，添加粉煤灰等摻合料，或通過(guò)采用低水化熱的水泥的方式降低混凝土最高溫升。

因此，混凝土配合比設(shè)計(jì)應(yīng)辯證地把握好早期強(qiáng)度與水化熱的“度”。水泥用量大早期強(qiáng)度高，對(duì)初張拉即生產(chǎn)進(jìn)度有利，但水泥用量大而產(chǎn)生的水化熱不利于溫度應(yīng)力的控制。

4.2 控制好養(yǎng)護(hù)期間的溫度，合理設(shè)計(jì)冬季施工時(shí)的蒸汽養(yǎng)護(hù)制度

據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》要求，預(yù)制梁蒸汽養(yǎng)護(hù)按靜停、升溫、恒溫、降溫4個(gè)階段進(jìn)行控制。靜停期間應(yīng)保持棚溫不低于5 ℃，澆筑完4～6 h后方可升溫，升溫速度不得大于10 ℃/h，應(yīng)采用“跟蹤養(yǎng)護(hù)”，即根據(jù)水化熱發(fā)展速度而升溫/降溫，以避免升溫過(guò)快導(dǎo)致混凝土發(fā)生較大膨脹，引起混凝土微觀結(jié)構(gòu)的破壞，降低混凝土的最終強(qiáng)度。恒溫期內(nèi)溫度應(yīng)控制在45 ℃以下，可通過(guò)箱梁脫模強(qiáng)度要求、混凝土配合比、以及外在環(huán)境條件等來(lái)確定恒溫條件下的養(yǎng)護(hù)時(shí)間，恒溫養(yǎng)護(hù)時(shí)間具體應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)確定。恒溫期梁體芯部溫度不得超過(guò)60 ℃。降溫速度不但應(yīng)保證不大于10 ℃/h，而且還應(yīng)跟蹤養(yǎng)護(hù)棚溫度與梁體內(nèi)水化熱的溫差，使混凝土芯部與表面溫差切實(shí)得到有效控制，保證混凝土內(nèi)、外溫差不超過(guò)15 ℃。為此，應(yīng)在跟蹤養(yǎng)護(hù)制度基礎(chǔ)上實(shí)行升降溫速度(10 ℃/h)、混凝土溫差(15 ℃)的雙控。

(1)靜停階段

靜停階段為簡(jiǎn)支箱梁混凝土澆筑成型到混凝土初凝完成，開(kāi)始供應(yīng)蒸汽前的階段。在靜停期內(nèi)混凝土進(jìn)行一定程度的水化反應(yīng)，混凝土初步硬化，使之具備一定的初始強(qiáng)度，抵抗在升溫期中出現(xiàn)的“腫脹作用”。靜停期間對(duì)蒸汽養(yǎng)護(hù)方面的規(guī)定是應(yīng)保持棚溫不低于5 ℃，澆筑完至少4～6 h后方可升溫，主要因?yàn)楫?dāng)環(huán)境溫度降低到5 ℃以下時(shí)，箱梁局部混凝土溫度可能在0 ℃左右，存在混凝土中的水有一部分開(kāi)始結(jié)冰，使水化作用減慢，強(qiáng)度增長(zhǎng)相應(yīng)變慢，同時(shí)水變成冰后，體積約增大9%，產(chǎn)生冰脹應(yīng)力，會(huì)使混凝土結(jié)構(gòu)受到不同程度的破壞?？紤]到安全一般靜停階段環(huán)境溫度最小應(yīng)控制在5 ℃以上。

(2)升溫階段時(shí)間控制

升溫開(kāi)始時(shí)，梁體混凝土的強(qiáng)度還較低，由于鋼模的高導(dǎo)熱和低蓄熱性，會(huì)形成從混凝土側(cè)到鋼模側(cè)的溫度差。當(dāng)該溫度差較大時(shí)，混凝土表面將承受較大的拉應(yīng)力，造成混凝土表面開(kāi)裂，升溫速率是升溫階段控制最關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。通過(guò)對(duì)升溫速率的控制，可以調(diào)節(jié)箱梁的硬化強(qiáng)度和熱脹變形產(chǎn)生的溫度應(yīng)力之間的關(guān)系，避免升溫過(guò)程中混凝土溫度應(yīng)力超過(guò)其硬化強(qiáng)度造成混凝土開(kāi)裂。比如當(dāng)環(huán)境溫度為t1=5 ℃時(shí)，為保證梁體混凝土芯部與表層、表層與環(huán)境溫度差不超過(guò)15 ℃，混凝土養(yǎng)生恒溫溫度t0=45 ℃，升溫速度v1=10 ℃/h，根據(jù)規(guī)范，升溫時(shí)間最短需要T1=(t0-t1)/v1=(45-5)/10=4 h?？紤]到混凝土的初期芯部水化熱溫度較低，且強(qiáng)度較低，升溫階段宜釆用分階段控制，在蒸養(yǎng)初期，應(yīng)采取緩慢升溫。

(3)恒溫階段時(shí)間確定

恒溫階段的主要控制參數(shù)是恒溫溫度和恒溫時(shí)間。恒溫期是簡(jiǎn)支箱梁混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)最快的階段。恒溫階段的溫度越高和養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)，箱梁的強(qiáng)度發(fā)展越快和養(yǎng)護(hù)結(jié)束時(shí)獲得的強(qiáng)度越高。但恒溫時(shí)間超過(guò)某一值時(shí)，箱梁強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)“鋸齒”波動(dòng)，甚至出現(xiàn)最終強(qiáng)度回縮，因此要控制恒溫時(shí)間。為避免養(yǎng)護(hù)溫度與環(huán)境溫度相差太大，使梁體對(duì)溫度變化過(guò)于敏感，《標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定混凝土芯部溫度不宜超過(guò)60 ℃，最大養(yǎng)護(hù)溫度不宜超過(guò)45 ℃。水化熱60 ℃-45 ℃=15 ℃，芯表溫差符合要求。

對(duì)于簡(jiǎn)支箱梁混凝土蒸汽養(yǎng)護(hù)的恒溫時(shí)間，應(yīng)根據(jù)簡(jiǎn)支箱梁脫模強(qiáng)度要求、混凝土配合比以及環(huán)境條件等通過(guò)試驗(yàn)確定。簡(jiǎn)支箱梁混凝土的強(qiáng)度必須確保移出養(yǎng)護(hù)罩后，滿足拆模及預(yù)張拉的強(qiáng)度要求。根據(jù)某工程試驗(yàn)，在45 ℃恒溫、水膠比等于0.32、蒸養(yǎng)混凝土強(qiáng)度要求達(dá)60%時(shí)，恒溫時(shí)間確定為不少于10 h。

(4)降溫階段控制

降溫是養(yǎng)護(hù)4個(gè)階段的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。降溫階段的主要控制參數(shù)是降溫速率、混凝土芯部與表層溫差、表層與環(huán)境溫差值。在降溫過(guò)程中，表層降溫快，收縮亦快；內(nèi)層降溫慢，收縮亦慢，在構(gòu)件表里產(chǎn)生溫度差，在表層混凝土中產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)在混凝土表層產(chǎn)生溫度裂縫。另外，降溫時(shí)應(yīng)緩慢停氣、均勻降溫、保持濕度，以消除蒸養(yǎng)對(duì)箱梁混凝土強(qiáng)度的影響。

一般梁場(chǎng)，降溫開(kāi)始時(shí)刻為澆筑20 h，鐵科院有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，混凝土水化熱在澆筑20 h時(shí)正上升到頂峰60 ℃，且梁體某些部位在50 ℃及以上將持續(xù)20h。混凝土水化熱的下降速率：梁跨中及端部截面底板每小時(shí)降溫0.45～0.55 ℃，頂板每小時(shí)降溫0.35～0.45 ℃，腹板每小時(shí)降溫0.30～0.35 ℃。梁體混凝土芯部的降溫速率最快僅為0.55 ℃/h。

若混凝土芯部的降溫速率按0.50 ℃/h計(jì)算，一般企業(yè)生產(chǎn)工藝規(guī)定降溫18h，芯部溫度降低18 h×0.50 ℃/h=9 ℃，屆時(shí)芯部溫度為60 ℃-9 ℃=51 ℃，梁體表面溫度為15 ℃，芯表溫差為51 ℃-15 ℃=36 ℃，遠(yuǎn)超出《標(biāo)準(zhǔn)》限定的15 ℃，此時(shí)的混凝土強(qiáng)度僅為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的60%，足以使混凝土開(kāi)裂。當(dāng)環(huán)境溫度0 ℃，蒸養(yǎng)棚內(nèi)溫度=梁體表面溫度=15 ℃，混凝土芯部溫度需要降至30 ℃，方可滿足兩個(gè)15 ℃的要求。需要下降溫度=60 ℃-30 ℃=30 ℃，需要降溫時(shí)間為30 ℃/0.50 ℃/h=60 h，蒸養(yǎng)時(shí)間總計(jì)：靜停6 h+4升溫h+恒10 h+降溫60 h=80 h。如降溫時(shí)間太短，則會(huì)導(dǎo)致混凝土早期開(kāi)裂。降溫速度、降溫時(shí)間、拆模時(shí)間點(diǎn)不僅要考慮養(yǎng)護(hù)棚溫與環(huán)境溫差，更要考慮梁體表面與芯部溫差。而芯部水化熱溫度是控制降溫速度、降溫時(shí)間長(zhǎng)短的關(guān)鍵。

4.3 預(yù)張拉措施

按目前工藝控制，早期開(kāi)裂并未像分析的這樣普遍，究其原因，存在著發(fā)證檢驗(yàn)用靜載試驗(yàn)梁一般是第1榀或第2榀，試生產(chǎn)期尚未批量生產(chǎn)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間較長(zhǎng)；冬季施工時(shí)水化熱引起的芯部最高溫度受環(huán)境溫度的影響，有可能在50～55 ℃，撤出養(yǎng)護(hù)罩以及模板拆除都是安排在一天溫度最高的時(shí)間段，這樣可以有效地減小溫度梯度；但如何更有效地避免溫差過(guò)大出現(xiàn)的早期裂紋，除了進(jìn)行跟蹤養(yǎng)護(hù)、減小溫差應(yīng)力外，在模板松開(kāi)后立刻進(jìn)行預(yù)張拉是預(yù)防溫度裂縫出現(xiàn)的有效措施。

目前在通用圖設(shè)計(jì)中已經(jīng)把預(yù)張拉作為預(yù)施應(yīng)力施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過(guò)預(yù)張拉，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力以抵抗由于溫差引起的拉應(yīng)力，同時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制從降溫開(kāi)始到模板拆除及預(yù)張拉前整個(gè)過(guò)程的溫度差。

4.4 拆模時(shí)的技術(shù)要求

拆模應(yīng)實(shí)行溫度、強(qiáng)度雙控，并應(yīng)以溫度為主控條件。

(1)溫度控制：蒸汽養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，待梁體芯部混凝土與表層混凝土之間的溫差、表層混凝土與環(huán)境之間的溫差均不大于15 ℃，以及箱梁腹板內(nèi)外側(cè)混凝土之間的溫差也不大于15 ℃時(shí)方可拆模。在寒冷季節(jié)施工時(shí)，若環(huán)境溫度低于0 ℃，應(yīng)待表層混凝土冷卻至5 ℃以下才可拆除模板；氣溫急劇變化以及大風(fēng)天氣時(shí)不宜拆模。

(2)強(qiáng)度控制：箱梁拆模時(shí)的混凝土強(qiáng)度應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。當(dāng)設(shè)計(jì)無(wú)具體規(guī)定時(shí)，應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的60%以上。當(dāng)預(yù)制梁帶模預(yù)張拉(即松脫而不移走)時(shí)，混凝土強(qiáng)度可以達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的50%，模板及支座板固定螺栓應(yīng)松開(kāi)，不應(yīng)對(duì)梁體壓縮造成阻礙。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)混凝土溫差超過(guò)15 ℃，其內(nèi)部溫差應(yīng)力將致使混凝土外表或內(nèi)部開(kāi)裂，從而喪失了混凝土Rl，靜載試驗(yàn)1.0級(jí)時(shí)梁體將會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂。為保證梁體抗裂性，應(yīng)注重控制芯部與箱內(nèi)、箱外表面溫差不得超過(guò)15 ℃；表面溫度與箱內(nèi)、箱外環(huán)境溫差不得超過(guò)15 ℃，蒸養(yǎng)拆模不當(dāng)易造成箱外梁體表面溫度與氣候環(huán)境溫差超過(guò)15 ℃，同時(shí)水化熱造成芯部與外表面溫差超過(guò)15 ℃。

為保證結(jié)構(gòu)抗裂性，一方面應(yīng)采取措施降低原材料的水化熱、采取跟蹤養(yǎng)護(hù)制度，減小溫差應(yīng)力，同時(shí)采取預(yù)張拉措施使結(jié)構(gòu)處于受壓狀態(tài)，避免早期裂紋的出現(xiàn)，保證箱梁結(jié)構(gòu)的耐久性。

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[2] 王鐵夢(mèng).工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999.

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Cause Analysis and Control Measures to Cracking of Railway Box Girder

SUN Jin-geng

(Quality Supervision and Inspection Center for Railway Products， Standard and Metrology Research Institute， China Academy of Railway Science， Beijing 100081， China)

With regard to the cracking identified under the static test for prefabricated post-tensioned prestressed concrete railway bridge simply supported box girder， this paper analyzes the causes of cracking with focus on early cracking due to the fact that the concrete inner temperature difference stress exceeds the tensile ultimate strength， which is caused by the temperature difference between the core and surface of the concrete， and the temperature difference between the surface and the environment in excess of the restricted 15 ℃ on account of the form removal during steam curing and in peak period of concrete hydration heating. The author demonstrates the inevitability of cracking during beam static load level 1.0 test with concrete tensile limit strengthfct=0， and anti-crack safety factorKf=λ， further elucidates that it is the concrete transfinite temperature stress that gives rise to box girder cracking， and puts forward control measures to prevent early cracks．

Prestressed concrete; Box girder; Static load test; Crack resistance; Cracking reason; Temperature difference stress; Hydration heating

2015-04-24

孫金更(1956—)，男，高級(jí)工程師。

1004-2954(2015)07-0084-05

U448.21+3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.07.019