大跨度預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋梁零號(hào)塊的開(kāi)裂劣化分析

(中鐵十八局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司，貴州畢節(jié) 551717)

當(dāng)前我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)事業(yè)在不斷發(fā)展，高速公路線路穿越江河和峽谷通常需要架設(shè)橋梁，因此連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋得到了廣泛的應(yīng)用[1]。隨著跨越長(zhǎng)度的增加，需要橋梁擁有更小的自重。更高的強(qiáng)度、更大的跨度，混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋有著諸多優(yōu)點(diǎn)，尤其上部結(jié)構(gòu)采用箱梁[2-3]，并且其線形連續(xù)，順橋向有較高的平整度，適用于高速公路行車對(duì)路面平整度的高要求；其次，結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單而不需要再兩跨架設(shè)掛梁或者鉸接，由于其優(yōu)異的結(jié)構(gòu)形式和簡(jiǎn)單可靠的施工方法，現(xiàn)已成為主要采用的橋梁結(jié)構(gòu)形式之一[4-6]。我國(guó)建成和在建的剛構(gòu)橋一般采用墩梁固結(jié)的懸臂對(duì)稱施工工藝[7]。優(yōu)點(diǎn)如下：至少有兩個(gè)主墩；上部結(jié)構(gòu)采用更大跨度的連續(xù)梁，截面通常采用變截面箱梁，擁有箱梁抗彎慣性矩較大，整體性好。但由于上部結(jié)構(gòu)為連續(xù)箱梁，其中橋墩作為主要承重結(jié)構(gòu)，為了能夠承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)的車輛荷載和自重，橋墩通常采用高強(qiáng)度的大體積混凝土，而大體積混凝土的施工及水化熱反應(yīng)對(duì)其耐久性有重要的影響[8]；國(guó)內(nèi)外很多橋梁零號(hào)塊在澆筑中缺乏經(jīng)驗(yàn)或者施工工藝不到位，一般會(huì)導(dǎo)致成橋以后由于水化熱或者施工工藝問(wèn)題導(dǎo)致其開(kāi)裂，對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋的剛度產(chǎn)生不利的影響，為了減小施工工藝和大體積水化熱對(duì)零號(hào)塊混凝土的影響，降低其開(kāi)裂的可能，利用國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究資料[9-10]，總結(jié)其理論成果和施工經(jīng)驗(yàn)，指導(dǎo)本次橋梁的施工，避免零號(hào)塊出現(xiàn)開(kāi)裂。研究其裂縫產(chǎn)生原因，指導(dǎo)新建橋梁的施工，從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)、適用、安全和美觀的要求。

1 開(kāi)裂原因分析

世界第一高墩連續(xù)梁剛構(gòu)橋梁—雅西高速臘八斤大橋，主橋跨徑組合為:105+2×200+105(米)，橋長(zhǎng)1140多米，單墩跨度最大200米，其主跨為變截面連續(xù)剛構(gòu)，采用分幅設(shè)置，如圖1所示。往往采用墩梁固結(jié)的方式，施工過(guò)程簡(jiǎn)單而不涉及轉(zhuǎn)體的方式，但零號(hào)塊作為上部結(jié)構(gòu)與下部的聯(lián)系，起到承擔(dān)上部荷載傳遞到基礎(chǔ)的作用，基礎(chǔ)的澆筑質(zhì)量決定上部橋梁的正常使用。為了更好地傳遞上部荷載，澆筑中采用高強(qiáng)度混凝土，但隨著大體積混凝土的使用，為了避免澆筑完成產(chǎn)生裂縫，影響結(jié)構(gòu)安全及橋梁的耐久性，總結(jié)了澆筑過(guò)程中影響高強(qiáng)度、大體積混凝土在施工及養(yǎng)護(hù)中開(kāi)裂的原因，將研究成果應(yīng)用到本次在建云南某大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋零號(hào)墩的施工中。

圖1 雅西高速臘八斤大橋

文獻(xiàn)[8]中介紹了高強(qiáng)度混凝土的使用，砼的水化熱往往是不能忽視的問(wèn)題。水化熱反應(yīng)是引起零號(hào)墩開(kāi)裂的重要原因之一，零號(hào)塊澆筑在橫截面通常由底到頂分節(jié)段澆筑，縱向從橋墩中心向兩側(cè)開(kāi)始施工，完成后進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。如圖2所示橫斷面、縱斷澆筑順序。針對(duì)本次云南某現(xiàn)澆連續(xù)剛構(gòu)橋的零號(hào)墩的施工，分析并總結(jié)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有橋梁零號(hào)墩的開(kāi)裂原因，結(jié)合實(shí)際工程案例，改進(jìn)施工工藝、原材料的級(jí)配和養(yǎng)護(hù)方式等，減小零號(hào)塊水化熱引起的混凝土的結(jié)構(gòu)空隙和避免應(yīng)力集中引起內(nèi)部裂縫和表面的裂縫，保障橋梁架設(shè)以后的正常通車運(yùn)營(yíng)。零號(hào)塊澆筑、養(yǎng)護(hù)中存在開(kāi)裂的原因有以下幾點(diǎn)：

圖2 零號(hào)墩澆筑橫、縱斷面示意圖

1.1 施工中模板的變形

施工前期準(zhǔn)備中施工支架通常采用搭接方式，搭接前對(duì)地基基礎(chǔ)進(jìn)行處理，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范中要求的承載能力和變形值，避免地基發(fā)生沉降引起支架的位移變化，進(jìn)一步影響支模的平整度，導(dǎo)致混凝土澆筑以后，強(qiáng)度形成過(guò)程中墩臺(tái)基礎(chǔ)發(fā)生變形。

1.2 混凝土收縮引起的變形

混凝土的收縮、徐變引起的變形，其強(qiáng)度形成后，混凝土構(gòu)件的內(nèi)外表面由于收縮導(dǎo)致變形不一致，混凝土構(gòu)件由于抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度，表面會(huì)出現(xiàn)裂縫[11]。

(1)收縮：連續(xù)鋼構(gòu)橋梁上部結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)度的鋼筋混凝土，骨料和水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，混凝土凝結(jié)初期或硬化過(guò)程中出現(xiàn)體積縮小，從而產(chǎn)生收縮。

(2)徐變：在長(zhǎng)期荷載作用下，混凝土的變形隨時(shí)間而不斷增大的現(xiàn)象。混凝土內(nèi)部的水泥凝膠體在外荷載作用下產(chǎn)生粘性流動(dòng)，把壓力傳遞給集料，使集料的變形逐漸增大，而導(dǎo)致混凝土的變形。 混凝土內(nèi)部的微裂縫在荷載長(zhǎng)期作用下逐漸放大，形成宏裂縫。而導(dǎo)致混凝土變形，長(zhǎng)期作用應(yīng)力的大小，受荷時(shí)混凝土的齡期影響，受荷時(shí)混凝土齡期越短，混凝土中尚未完全結(jié)硬的水泥膠體越多導(dǎo)致徐變?cè)酱蟆?/p>

1.3 溫度變化引起的裂縫

高強(qiáng)度混凝土在形成強(qiáng)度初期，對(duì)于連續(xù)剛構(gòu)體系的橋梁的零號(hào)塊，后期承擔(dān)的較大和復(fù)雜形式的荷載，通常采用大體積、高強(qiáng)度的混凝土，水化熱放出大量的熱量，并且養(yǎng)護(hù)需要大量的水，二者相互作用，進(jìn)一步加快了混凝土的堿骨料的化學(xué)反應(yīng)，混凝土的反應(yīng)完成后期在遇到氣溫驟降和晝夜溫差較大的環(huán)境中，零號(hào)塊在溫度變化的熱沖擊作用下，內(nèi)外表面更容易開(kāi)裂。

1.4 荷載作用引起的裂縫

(1)施工荷載引起的開(kāi)裂

施工由于溫度或者濕度的影響，混凝土構(gòu)件在養(yǎng)護(hù)不到位情況下，上施工塊未達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定的強(qiáng)度，開(kāi)始施工下一個(gè)施工塊，導(dǎo)致構(gòu)件發(fā)生開(kāi)裂。

(2)零號(hào)塊達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%時(shí)，由于現(xiàn)場(chǎng)對(duì)上部結(jié)構(gòu)節(jié)段重量和堆載沙袋的重量超出設(shè)計(jì)值的一定范圍，施工模板和支架過(guò)重導(dǎo)致零號(hào)塊在強(qiáng)度初期內(nèi)部產(chǎn)生裂縫，隨著上部結(jié)構(gòu)施工的進(jìn)行，裂縫進(jìn)一步發(fā)展，導(dǎo)致混凝土零號(hào)塊外表面開(kāi)裂。

(3)施工過(guò)程中局部出現(xiàn)超出設(shè)計(jì)值的集中力，零號(hào)塊強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，開(kāi)始張拉預(yù)應(yīng)力鋼絞線時(shí)，由于橫向鋼筋在零號(hào)塊預(yù)留孔道，拆模張拉，導(dǎo)致沿著孔道一角出現(xiàn)開(kāi)裂。

1.5 施工質(zhì)量不達(dá)標(biāo)導(dǎo)致開(kāi)裂

(1)混凝土攪拌和商砼運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)，由于夏季高溫水分的蒸發(fā)，引起混凝土坍落度過(guò)低，導(dǎo)致混凝土澆筑以后流動(dòng)性和和易性表差，振搗很難搗實(shí)，混凝土構(gòu)件成型后必然發(fā)生內(nèi)外表面出現(xiàn)不規(guī)則裂縫。

(2)混凝土分層和分段澆筑過(guò)程中，新舊混凝土接頭搭接段處理不到位，容易導(dǎo)致在新舊層面搭接位置出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。

2 工程概況及預(yù)防措施

如圖3～4所示，云南某在建的跨河谷大橋，橋梁跨越山間溝谷，河谷最大深度30米。橋位處主要地層為碎石、全風(fēng)化玄武巖，大橋的橋梁孔跨布置為 3×40米，橋梁方案采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)鋼構(gòu)梁。

圖5 云南某在建的跨河谷大橋的零號(hào)塊施工

圖4 零號(hào)塊尺寸圖

全橋共分1聯(lián)，橋臺(tái)處設(shè)置80型伸縮縫。結(jié)合國(guó)內(nèi)外的研究資料，分析了產(chǎn)生裂縫的原因，結(jié)合云南某實(shí)際連續(xù)剛構(gòu)施工的實(shí)際工程案例，采用了以下措施，降低零號(hào)塊澆筑完成后開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 施工模板引起裂縫的控制措施

支架和模板在施工前，結(jié)合對(duì)地基土的物理力學(xué)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和變形計(jì)算，采用設(shè)計(jì)荷載的120%進(jìn)行堆載預(yù)壓，消除支架的彈性變形；澆筑混凝土一般不允許對(duì)底板倒角處進(jìn)行振搗，防止模板出現(xiàn)松動(dòng)，導(dǎo)致構(gòu)件出現(xiàn)空洞和裂縫。

2.2 混凝土的收縮徐變

(1)混凝土澆筑過(guò)程中嚴(yán)格控制水灰比，商砼運(yùn)輸距離不宜過(guò)長(zhǎng)，出料口距離模板高度不應(yīng)超過(guò)1米，不宜下料過(guò)快和長(zhǎng)時(shí)間的攪拌，需要分層澆筑和振搗，澆筑順序應(yīng)為，先澆筑頂板外側(cè)，最后澆筑頂板預(yù)腹板的交接處。

(2)混凝土收縮產(chǎn)生裂縫需要做好拆模后的養(yǎng)護(hù)，避免表面水分蒸發(fā)過(guò)快導(dǎo)致表面開(kāi)裂，可利用噴霧器噴灑養(yǎng)護(hù)。

2.3 溫度變化引起裂縫的控制措施

由于零號(hào)塊澆筑采用高強(qiáng)度的大體積混凝土，水化熱對(duì)其影響明顯，尤其零號(hào)塊腹板厚度=4.2米≥ 2米，內(nèi)外溫差最大20度，在底部預(yù)留矩形的小孔，利用通風(fēng)帶走一部分熱量，同時(shí)鋪設(shè)冷循環(huán)水管，將內(nèi)部多余熱量帶走。

2.4 施工荷載引起的開(kāi)裂的控制措施

零號(hào)塊的下一節(jié)段在澆筑前需要等上一個(gè)構(gòu)件強(qiáng)度到達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%以上，施加其上的施工荷載不能超過(guò)設(shè)計(jì)值，完成養(yǎng)護(hù)以后開(kāi)始下一節(jié)段的施工；橫向鋼筋在零號(hào)塊預(yù)留孔道處增加抗裂鋼筋，防止張拉后沿著孔道一角出現(xiàn)開(kāi)裂。

2.5 施工質(zhì)量不達(dá)標(biāo)導(dǎo)致開(kāi)裂控制措施

為了避免商砼長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)輸導(dǎo)致水分蒸發(fā)過(guò)快，減小拌合站與施工現(xiàn)場(chǎng)的距離，保證和易性和坍落度滿足設(shè)計(jì)要求；新舊混凝土接頭鋪設(shè)連接和過(guò)度材料，保證二者協(xié)同變形和工作。

3 結(jié) 語(yǔ)

為了研究連續(xù)剛構(gòu)橋零號(hào)墩出現(xiàn)開(kāi)裂的原因，利用已有文獻(xiàn)研究成果，以及本文研究成果應(yīng)用到云南在建連續(xù)剛構(gòu)零號(hào)塊的實(shí)際工程案例中，主要結(jié)論如下：

(1)根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果，結(jié)合多年連續(xù)剛構(gòu)橋的施工經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)的引起裂縫的原因，分別對(duì)影響零號(hào)塊開(kāi)裂的五類因素分析，如施工模板、混凝土收縮徐變、溫度變化、施工荷載和施工質(zhì)量，得到影響因素與大體積零號(hào)塊開(kāi)裂的內(nèi)在聯(lián)系。

(2)分析得到的五類影響因素與零號(hào)塊開(kāi)裂之間的關(guān)系，參考結(jié)論成果，緊密結(jié)合理論成果并應(yīng)用到澆筑云南某連續(xù)剛構(gòu)橋梁零號(hào)塊實(shí)際工點(diǎn)中，防止?jié)仓闾?hào)塊出現(xiàn)開(kāi)裂，保證了施工質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。