薄壁混凝土槽型梁裂縫控制技術(shù)研究

羅許林

(鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院， 河南 鄭州 450000)

現(xiàn)階段，大多數(shù)交通運輸工程的底板和槽型梁腹板均采用的是薄壁混凝土結(jié)構(gòu)，為此，當(dāng)交通運輸軌道上承重時便會引發(fā)工程在豎向荷載的作用下，產(chǎn)生較大的橫向彎矩或縱向彎矩，并且該荷載還會對槽型梁底板混凝土產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，若此時槽型梁薄壁混凝土結(jié)構(gòu)的起橫向抗彎剛度較小，便極易引發(fā)其出現(xiàn)縱向裂縫。另外，槽型梁的底板和腹板結(jié)合處同時承受著扭矩與彎矩的作用，具有明顯的應(yīng)力集中特征，在加之其自身屬于開口下承式薄壁結(jié)構(gòu)、抗扭剛度較小以及槽型梁中預(yù)應(yīng)力筋、鋼筋分布密切，不很易導(dǎo)致底板和腹板結(jié)合處出現(xiàn)裂縫，同時也難以保證混凝土澆筑質(zhì)量，進而導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫，這對保證槽型梁結(jié)構(gòu)和橋梁工程整體結(jié)構(gòu)的耐久性、安全性極為不利，為此，為有效控制和降低薄壁混凝土槽型梁裂縫的發(fā)生，需制定合理的槽型梁施工工藝及工序[1]。

1 薄壁混凝土槽型梁施工工藝

在實際的槽型梁施工過程中，為保證交通運輸工程的耐久性和提高其使用壽命，常會在槽型梁內(nèi)部設(shè)置雙向預(yù)應(yīng)力筋，但是由于槽型梁截面施工較為復(fù)雜，且分布著密密麻麻的預(yù)應(yīng)力筋和鋼筋，因而難以保證混凝土施工的質(zhì)量，再加之槽型梁多采用薄壁混凝土結(jié)構(gòu)進行施工，為此，常易導(dǎo)致其產(chǎn)生裂縫，本文先簡單介紹了薄壁混凝土槽型梁具體施工工藝，再分析其產(chǎn)生裂縫的原因和探究相關(guān)的控制與改進措施?？偟膩碚f，薄壁混凝土槽型梁包含了三個方面的施工工藝，具體如下：

1.1 布置模板

為確保工程施工的精度和模板剛度符合實際施工需求，一般需在碗扣式腳手架上放置槽型梁模板，采用橋梁專用竹膠板(厚1.5cm)作為模板，并將主龍骨(10cm×15cm)橫向布置于模板下部，將次龍骨(10cm×10cm)縱向布置于模板下部，為確保結(jié)構(gòu)定位的精確性，還需設(shè)置可調(diào)節(jié)頂托，這樣有助于促進梁與底板間加腋構(gòu)造以及底板下縱、橫梁節(jié)點構(gòu)造得以實現(xiàn)，然后，再按照底、側(cè)、翼板底及腹板內(nèi)模板順序進行模板加工和安裝組織施工[2]。

1.2 綁扎鋼筋

槽型梁內(nèi)部一般配置較多和較密的鋼筋，從而導(dǎo)致錨固端預(yù)埋件與預(yù)應(yīng)力預(yù)埋管道易發(fā)生碰撞，考慮到槽型梁的構(gòu)造和承載能力要求，為了便于進行混凝土振搗和鋼筋定位施工，需按照腹板、底板、橫/縱梁及翼板的順序進行鋼筋綁扎，同時還需稍微調(diào)整鋼筋豎向和水平間距，以確保預(yù)埋件與預(yù)埋管道之間留有的空間充足，從而提高混凝土振搗密實程度。

1.3 澆筑混凝土及養(yǎng)護

槽型梁結(jié)構(gòu)一般較為復(fù)雜，并且對于整跨的槽型梁還需進行連續(xù)澆筑才能確保工程結(jié)構(gòu)的完整性，因此，在實際澆筑施工過程中，其對混凝土具有較高的和易性要求，一般需采用C50級混凝土配合比，并將坍落度控制為200mm左右，水灰比設(shè)置為0.3，然后按照橫向?qū)ΨQ、縱向分段及水平分層的施工原則，同時采用2臺泵送車連續(xù)、對稱的進行混凝土澆筑。對底板混凝土進行澆筑時，先將混凝土注入腹板，待其高度達到設(shè)計要求時，便可將混凝土直接灌注到底板內(nèi)，然后再進行腹板混凝土澆筑，單次澆筑高度一般為30-40cm[3]。為防止預(yù)埋管道和鋼筋移位，在澆筑混凝土?xí)r還需同步振搗，混凝土澆筑完畢且完成初凝后，需及時覆蓋土工布，并對其進行定期灑水養(yǎng)護。

2 導(dǎo)致薄壁混凝土槽型梁出現(xiàn)裂縫的原因分析

2.1 施工溫度應(yīng)力因素

工程施工時的環(huán)境與溫度是導(dǎo)致薄壁混凝土槽型梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的重要影響因素，如在進行混凝土澆筑的過程中，混凝土材料自身產(chǎn)生的水化反應(yīng)會提高結(jié)構(gòu)整體溫度，而薄壁混凝土結(jié)構(gòu)本身熱量交換能力較差，因此，會導(dǎo)致大量的熱量聚積在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，從而導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出熱脹冷縮的物理特性，前期會快速提高結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度，從而導(dǎo)致其內(nèi)部發(fā)生膨脹，后期溫度急劇下降，內(nèi)部便會產(chǎn)生收縮，這樣，便會導(dǎo)致不同的應(yīng)力作用于薄壁混凝土結(jié)構(gòu)上，若此時混凝土結(jié)構(gòu)的抗壓能力不足或受壓應(yīng)力較大，便極易引發(fā)薄壁混凝土槽型梁結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)裂縫，且裂縫的高發(fā)區(qū)為結(jié)構(gòu)中間部位。

2.2 混凝土結(jié)構(gòu)自收縮應(yīng)力因素

隨著混凝土中水含量的減少，混凝土結(jié)構(gòu)會受到來自自生體積收縮產(chǎn)生的應(yīng)力與干燥收縮應(yīng)力等混凝土自收縮應(yīng)力的影響，其中自生體積收縮產(chǎn)生的應(yīng)力是由相關(guān)材料與混凝土自身水分發(fā)生的反應(yīng)所致，干燥收縮應(yīng)力則是由混凝土中的水分流失而導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)干燥，進而改變混凝土體積所致，在材料與混凝土發(fā)生的反應(yīng)中，可采用固態(tài)化合物=膠凝材料+水這一公式進行理解，由該公式可知，混凝土自身固態(tài)化合物會隨著其自身水分和膠凝材料的減少而增加，并引發(fā)混凝土體積膨脹變大。另外，對于混凝土結(jié)構(gòu)自身而言，溫度擴散速度慢于溫度擴散，因此，干收縮應(yīng)力的主要產(chǎn)生區(qū)為混凝土結(jié)構(gòu)表面，如熱交換塔、火電廠煙囪、水泵站與水閘均為薄壁混凝土結(jié)構(gòu)，因此，這些機構(gòu)進行混凝土施工時受干縮應(yīng)力的影響較大。并且，在混凝土任意結(jié)構(gòu)中代入上述公式，均可發(fā)現(xiàn)混凝土的濕度與溫度變化與擴散方程相符合，通過擴散方程可知，混凝土干縮變形與混凝土自收縮變形之間雖然呈不完全線性分布關(guān)系，但混凝土干縮變形會導(dǎo)致混凝土發(fā)生自收縮變形，因此，自收縮應(yīng)力不能單純的依靠濕度而得出，而是需采用建筑行業(yè)中常用的經(jīng)驗方式以及結(jié)合多個分析方程進行計算[4]。

3 薄壁混凝土槽型梁裂縫控制技術(shù)和方法

3.1 槽型梁雙向預(yù)應(yīng)力張拉工序控制

在槽型梁腹板內(nèi)布置縱向預(yù)應(yīng)力筋以及在其底板橫、縱向布置預(yù)應(yīng)力筋，才能避免薄壁混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過大的裂縫和撓度，并且，由于工程施工階段槽型梁截面并未完全對稱以及未完全生成強度符合要求的混凝土結(jié)構(gòu)，為此，在對預(yù)應(yīng)力筋進行張拉的過程中需合理控制其張拉應(yīng)力和順序，以防止其出現(xiàn)裂縫。一般來說，預(yù)應(yīng)力筋抗拉強度fpy=1260MPa，但是由于實際施工過程中需同時設(shè)置雙向預(yù)應(yīng)力筋且槽型梁底板自身的厚度較小，為避免對預(yù)應(yīng)力筋進行單向張拉時破壞梁體結(jié)構(gòu)以及最大限度的增強槽型梁的抗裂性能、整體剛度，可采用分階段方案

對預(yù)應(yīng)力筋進行雙向張拉，即先對橫、縱向預(yù)應(yīng)力筋采用σcon=0.6fpy的控制應(yīng)力進行張拉，再逐步張拉橫、縱向預(yù)應(yīng)力筋至設(shè)計值。為對張拉工序的可靠性進行驗證，還需建立槽型梁的有限元模型，可應(yīng)用MIDAS/Civil軟件進行設(shè)計，并對相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力筋及張拉控制應(yīng)依次分階段進行設(shè)定和激活，以此得出槽型梁在張拉過程中的應(yīng)力計算結(jié)果[5]。

3.2 薄壁混凝土結(jié)構(gòu)溫度因素控制

薄壁混凝土是由骨料材料和膠合材料等一系列材料組成的膠合工程，當(dāng)其與水發(fā)生混合后，便會發(fā)生強烈的反應(yīng)，并聚集大量的熱量，從而提高混凝土結(jié)構(gòu)溫度，另外，由于薄壁混凝土自身結(jié)構(gòu)具有一定的特殊性，水反應(yīng)會導(dǎo)致其內(nèi)外結(jié)構(gòu)溫度分布不均，而根據(jù)溫度產(chǎn)生的熱脹冷縮原理，便會導(dǎo)致混凝土整體結(jié)構(gòu)受到不同的壓力與拉力，進而使混凝土壓強產(chǎn)生改變，且結(jié)構(gòu)的氣壓強還會隨著結(jié)構(gòu)中的濕氣變化而改變，從而導(dǎo)致溫度升高時，增大與混凝土結(jié)構(gòu)表層壓應(yīng)力、內(nèi)部外部應(yīng)力和上下層應(yīng)力，進而產(chǎn)生薄壁混凝土結(jié)構(gòu)裂縫，為有效控制和防止薄壁混凝土結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生，需不斷探究新型的控溫方式降低和冷卻混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外部溫度，如合理控制水灰的配比、采用新的混凝土澆注方式或新型的澆注材料進行降溫以及采用保溫和降溫相結(jié)合的方式降低薄壁混凝土結(jié)構(gòu)溫度變化。

3.3 薄壁混凝土結(jié)構(gòu)自收縮應(yīng)力因素控制

混凝土自身的物理結(jié)構(gòu)特性以及薄壁混凝土槽型梁施工的工程環(huán)境都是導(dǎo)致混凝土自收縮應(yīng)力的形成的重要影響因素，前者主要表現(xiàn)為混凝土的自身形變和各種物理膨脹，后者則是因為工程施工環(huán)境會直接影響到薄壁混凝土結(jié)構(gòu)的濕度與溫度指數(shù)，在實際的混凝土凝固過程中不可避免的會發(fā)生形變，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體收縮性發(fā)生改變，而到這這種現(xiàn)象發(fā)生的根本原因在于水灰的混合比例，為了最大限度的減少混凝土凝固過程中的形變，可在薄壁混凝土結(jié)構(gòu)施工過程中，將一定比例的粉煤灰添加到水灰中，以對薄壁混凝土的水灰比例產(chǎn)生影響，這樣不僅能促進混凝土中的復(fù)雜材料進行有效膠合以及實現(xiàn)對薄壁混凝土結(jié)構(gòu)中的孔隙率進行有效控制，同時還能促進薄壁混凝土結(jié)構(gòu)的剛度、強度以及堅韌性大大提升，進而有效提高槽型梁整體結(jié)構(gòu)的安全可靠性[6]。粉煤灰能夠發(fā)揮這種功效的主要原因在于其加入的含量與薄壁混凝土結(jié)構(gòu)中化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水化物含量呈反比關(guān)系，有研究表明，隨著粉煤灰添加的含量不斷增加，能夠有效降低薄壁混凝土結(jié)構(gòu)臨界壓力和增加其臨界長度，從而降低薄壁混凝土結(jié)構(gòu)的自收縮應(yīng)力，并且，實現(xiàn)結(jié)果顯示，在薄壁混凝土結(jié)構(gòu)中加入10%-20%的粉煤灰量，將會導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)自收縮應(yīng)力大小與粉煤灰含量呈線性分布，為此，為實現(xiàn)對混凝土結(jié)構(gòu)自收縮應(yīng)力的有效控制和防止薄壁混凝土槽型梁裂縫出現(xiàn)，在實際施工過程中還需根據(jù)實際配比的水灰比合理加入粉煤灰添加含量。

4 結(jié)語

薄壁混凝土槽型梁結(jié)構(gòu)作為一種安全等級較高的施工結(jié)構(gòu)和技術(shù)，在多種建筑工程施工中均有廣泛的應(yīng)用，不僅能有效保證槽型梁和工程整體的強度、剛度達到施工要求，同時還能有效延長工程的使用周期。但是，由于槽型梁截面施工較為復(fù)雜，且分布著密密麻麻的預(yù)應(yīng)力筋和鋼筋，因而難以保證混凝土施工的質(zhì)量，進而會導(dǎo)致混凝土在凝固過程發(fā)生一定的形變或裂縫，為有效控制和防止薄壁混凝土槽型梁裂縫發(fā)生，可合理控制槽型梁雙向預(yù)應(yīng)力張拉工序、采用有效的控溫方式降低混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外部溫度以及在薄壁混凝土結(jié)構(gòu)施工過程中將一定比例的粉煤灰添加到水灰中，從而降低混凝土結(jié)構(gòu)自收縮應(yīng)力，這樣便能有效避免和減少槽型梁裂縫的發(fā)生。

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[2]劉巖.污水處理廠大面積薄壁混凝土抗裂技術(shù)研究[J].城市道橋與防洪,2016,(05):184-186+18.

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[6]王金杰,薄士威.淺析薄壁混凝土裂縫施工控制技術(shù)[J].水利與建筑工程學(xué)報,2011,9(01):130-132.