預應力混凝土空心板“蒸養(yǎng)”裂紋產(chǎn)生與防范

預應力混凝土空心板“蒸養(yǎng)”裂紋產(chǎn)生與防范摘要：在預應力空心板冬季“蒸養(yǎng)”過程中，混凝土初期養(yǎng)護管理、升降溫梯度、板梁上下散熱速度差以及大梁內(nèi)是否配置防裂鋼筋等都將對大梁的澆注質(zhì)量產(chǎn)生影響，本文以南京祿口高架橋為例，對大梁的“蒸養(yǎng)”裂紋作了詳細分析，提出了相應的防范措施。在現(xiàn)代橋梁工程中，預應力混凝土空心板梁由于其自重輕、結(jié)構性能好、施工方便等諸多有利因素而被廣泛使用，在我省已完工的滬寧高速公路、祿口機場高速公路、寧馬高速公路等許多橋梁中就普遍采用了這種結(jié)構，取得了良好的社會、經(jīng)濟效益。但在冬季施工過程中，特別是當板梁的預制采用蒸汽養(yǎng)護時，梁體經(jīng)常會出現(xiàn)“蒸養(yǎng)”裂紋。下面就以南京機場高速公路祿口高架橋為例，對空心板梁“蒸養(yǎng)”裂紋產(chǎn)生的原因及防范措施作一分析，供橋梁工程師們參考：１問題的產(chǎn)生祿口高架橋是南京新場高速公路的重點工程，全長２３８０ｍ，其中６０％以上的上部結(jié)構采用了先張法預應力混凝土空心板梁。該橋設計荷載為汽車一超２０，掛車－１２０，梁體混凝土標號為５０號，板梁長１９９６ｍ，寬９９ｃｍ，高８５ｃｍ，其斷面尺寸如圖所示。大梁的預制于年底開始，為保證質(zhì)量，縮短養(yǎng)護周期，加快施工進度，對板梁采用了蒸氣養(yǎng)護法。元月，氣溫驟降５～１０℃，日均溫度在０～５℃左右。當時大梁已經(jīng)過靜養(yǎng)、升溫、恒溫、降溫等養(yǎng)護過程，揭開油布冷卻，發(fā)現(xiàn)很多梁頂部出現(xiàn)了裂紋，裂紋１～４條不等，裂紋寬０１～０２ｍｍ，深度在１～３ｃｍ，基本分布在大梁的跨中、１／４跨和３／４跨處的頂板。２原因分析２．１混凝土內(nèi)外溫差所致。在冬季施工過程中，因為外界溫度較低，而大梁混凝土中由于水化熱的原因產(chǎn)生很大的熱量，根據(jù)經(jīng)驗公式：ｔｍａｘ＝ｔｏ＋ｑ／１０其中：ｔｍａｘ——混凝土內(nèi)部最高水化熱℃；ｔｏ——混凝土澆筑溫度℃ｑ——每立方混凝土中水泥用量ｋｇ／ｍ３；可計算出混凝土內(nèi)部最高溫度ｔｍａｘ＝５℃＋４６２／１０＝５１２℃本例混凝土配比中水泥用量為４６２ｋｇ／ｍ３當油布掀開后，混凝土表面遇冷將發(fā)生急劇收縮，而內(nèi)部混凝土因水化熱尚未完全消失而發(fā)生較大的內(nèi)外溫差，從而形成一種內(nèi)脹外縮的現(xiàn)象，導致混凝土表面產(chǎn)生裂縫。２．２梁體頂板與底板收縮不一致大梁橫斷面尺寸可以看出，頂板較薄，一般為７～８ｃｍ，而下底板較厚，一般為１５～１６ｃｍ，當油布掀開后，上頂板的冷卻將快于下底板、收縮也將大于、快于下底板，而此時埋設于大梁底部的鋼鉸線尚未剪索，梁體預應力尚未得到再加上上頂板布筋少，抵不住這種大的拉應力，從而導致了頂部裂縫的產(chǎn)生。２．３養(yǎng)護時降溫梯度過快。據(jù)當時的施工記載和監(jiān)理抽測，部分大梁降溫時降溫梯度在１０～１５℃，而根據(jù)《公路橋涵施工技術規(guī)范》明確規(guī)定，當表面系數(shù)等于或大于６時，降溫速度不得超過５℃，而在該例中，大梁表面系數(shù)已達１１９１ｍ２／ｍ３，降溫梯度明顯高于規(guī)范要求。表面系數(shù)為結(jié)構冷卻面積與結(jié)構體積之比３防范措施３．１加強混凝土梁的養(yǎng)護管理。在梁體混凝土溫度冷卻至與外界溫度相近時，方可拆除加熱養(yǎng)護結(jié)構的模板和保溫層如油布；當混凝土與外界氣溫相差大于２０℃而要拆除模板時，混凝土表面應加以覆蓋，并使其緩慢冷卻，嚴禁提前掀開油布。３．２大梁冬季施工采用蒸汽養(yǎng)護時，應適當增加大梁內(nèi)的抗裂鋼筋?？稍诖罅旱捻敳考皟蓚?cè)適當增加縱向非預應力鋼筋，以提高這部分混凝土的抗拉能力，防止裂紋的出現(xiàn)。施工時可考慮在大梁的頂部增加２根φ１２鋼筋，在大梁兩側(cè)增加４根φ８的鋼筋。３．３提前釋放預應力。在大梁梁體冷卻至５～１０℃時應立即拆模，當混凝土強度達到設計強度的９０％時，應剪索，完成對大梁施加的予應力。３．４嚴格控制升降溫梯度。嚴格按規(guī)范規(guī)定，控制升降溫梯度。當表面系數(shù)大于６時，升溫速度不超過１０℃；恒溫溫度不超過６０℃；降溫速度不超過５℃，從而避免升溫過程中的膨脹裂縫和降溫過程中的收縮裂縫。４結(jié)束語事實表明，采用了以上防范措施后，祿口高架橋在后來施工的近千塊板梁中再未出現(xiàn)裂紋，從而有效地解決了預應力板梁的冬季蒸養(yǎng)裂紋的問題。近年來由于高等級公路的迅速發(fā)展，工程質(zhì)量的控制越來越嚴格，盡管高速公路橋梁大部分屬于常見橋型，由于施工隊伍素質(zhì)的差異，橋梁工程在建設中都存在不同程度的質(zhì)量問題，有些教訓是深刻的。筆者就常見質(zhì)量問題以及如何預防，提出一些看法，供質(zhì)量控制時參考。１先張法空心板梁先張法空心板梁從臺座制作，預應力張拉、混凝土澆筑、鋼絞線放張，施工過程中均引起了足夠的重視。但由于多為集中預制，混凝土采用蒸汽養(yǎng)護為多，這樣出坑頻率快，周期短施工企業(yè)效益高，然而板梁拆模后規(guī)則裂紋較多。主要是因為蒸汽養(yǎng)護瞬間停止后，降溫太快，梁體內(nèi)外溫差較大，導致梁體產(chǎn)生溫度裂縫，因此施工中，降溫速度不宜超過１０℃／小時。這是很多施工單位不理解，不注意的新問題，特別在冬季，蒸汽養(yǎng)護停止后，立即拆開養(yǎng)護棚，梁外部的氣溫迅速下降。這時，如果梁內(nèi)部和外表成溫差超過６０℃，梁外面就會產(chǎn)生溫度、裂縫。２后張法寬幅空心板梁后張法寬幅空心板梁近幾年來在高速公路上應用較為廣泛，因其預制方便，安裝簡單。但板幅寬，腹板薄，梁高度低，且多采用扁波紋管和扁錨，因而施工中應注意：①由于混凝土分兩次澆筑，必須注意新老混凝土的結(jié)合，嚴格按照施工縫的處理辦法，同時防止?jié)仓炷習r的芯模上浮，以免使頂厚度減少。②由于邊板與中板張拉后反拱度不一樣，通常邊板大于中板。因此予制臺座的反拱設置應考慮此差異。③扁波紋管設計時必須滿足橋梁設計規(guī)范構造要求，確保壓漿飽滿密實。④由于錨下常采用鋼纖維混凝土，鋼纖維材料尺寸、抗拉強度以及抗腐蝕性能必須符合規(guī)范要求，鋼纖維混凝土拌合、試配、鋼纖維含量必須嚴格按國家有關施工規(guī)范進行，否則鋼纖維的銹蝕將危及橋梁使用安全。３部分預應力混凝土組合箱梁部分預應力混凝土組合箱梁，目前在高速公路上得到了廣泛的應用，與同等跨徑板梁、Ｔ梁、組合工字梁相比，結(jié)構高度低，抗扭剛度大，混凝土用量少，且較為美觀。由于其底板、腹板均較薄，且結(jié)構連續(xù)處同樣采用扁錨，故施工中應注意如下問題：①由于箱梁斷面一次成型，底板混凝土有澆筑不密實的現(xiàn)象。產(chǎn)生原因：底板混凝土是從腹板擠進去的，由于波紋管的影響，部分粗骨料無法進入底板，因此芯模制作時必須考慮施工人員進入箱內(nèi)進行補料、補振，確?；炷撩軐?。②負彎矩波紋管預埋，必須準確可靠，往往施工中，由于管道不對齊，增大了穿束難度，增加了預應力損失，同樣也應注意扁波紋管下混凝土不易密實的問題。③由于負彎矩處預應力鋼絞線長度一般小于２０ｍ，因此宜采用一端張拉，以減少由于鋼絞線回縮引起的預應力損失。４滿堂支架施工的ＲＣ或ＰＣ連續(xù)梁橋由于匝道橋大部分是滿堂腳手現(xiàn)澆箱梁，施工中必須進行如下控制：１支架地基處理方法可根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況，采用小木樁處理、灰土＋素混凝土處理等方案，必須注意施工期間防止雨水浸泡，應開溝排水，以免地基變形。地基處理后，還須進行預壓。２支架預壓，其預壓重量為恒載重量，目的是消除支架的非彈性變形，待支架沉降穩(wěn)定后，卸載。沉降穩(wěn)定的標準是連續(xù)觀察一周，僅有３ｍｍ以內(nèi)變化為穩(wěn)定。卸載前測得的總變形包括彈性和非彈性兩部分，一般以彈性變形作為設置預拱度的依據(jù)。對于上跨老路橋梁，例如老路為瀝青混凝土，不要認為老路已經(jīng)運營多年，沉降基本穩(wěn)定，不需預壓，這種觀點是錯誤的，教訓也是深刻的。３混凝土澆筑必須注意澆筑程度。根據(jù)施工機械配備情況，可以采用多孔一聯(lián)一次性澆筑；也可采用１／４Ｌ處設施工縫、墩頂為合攏段的分段澆筑。４落架程度必須從跨中向支點對稱落架，以防產(chǎn)生內(nèi)力重分配，使梁體開裂。這是體系轉(zhuǎn)換要考慮的。５關于預應力管道預埋和預應力筋張拉５１對于連續(xù)箱梁由于管道長，波紋管直徑必須大于鋼絞線公稱直徑２ｃｍ，以防壓漿不密實；同時建議混凝土澆筑前先將鋼絞線穿入。５２對于采用連接器長的預應力筋，當長度超過２５ｍ，由于只能采用一端張拉，往往按現(xiàn)行知規(guī)計算的理論伸長值，與實側(cè)伸長值存在較大偏差，施工單位應分析具體情況，采取正確的措施，防止預應力不足。５３目前大量采用了自錨體系錨具，錨固損失和錨圈口摩擦損失有一最佳值，施工前必須對千斤頂限位板進行試驗調(diào)整，以得到一個最低值。這一點在施工過程中往往不能引起足夠的重視。如某橋由于限位板限位量偏小，錨圈口的摩擦引起的損失達到預加力的３０％。以上是筆者根據(jù)幾年的現(xiàn)場實踐得出的一些體會，也是工程中常常出現(xiàn)的質(zhì)量問題，提出來與同行們討論，使我們的橋梁質(zhì)量在施工中得到及時的控制。總結(jié)以上施工過程，該裂縫產(chǎn)生的原因有以下幾個方面：3.2.1高標號混凝土T梁一般外形尺寸較長、大，采用的均為高標號混凝土，其水泥含量高，水泥干縮性也就大，混凝土的抗拉性有不好。一旦混凝土的外表面的水分比內(nèi)部蒸發(fā)的快，雖然養(yǎng)護及時，也足以造成梁體內(nèi)外混凝土收縮不一致。相對而言，梁體外部的混凝土收縮量較內(nèi)部的大，這是造成梁體出現(xiàn)裂縫的原因之一。3.2.2混凝土沉降腹板在澆注完成后，依舊受附著式振動器振動，其本身還有一定的微量下沉空間，連續(xù)澆筑頂板混凝土后，腹板混凝土也就完成了其大部分的微沉，而梁頂板與腹板相連接處的梗部混凝土因鋼筋阻礙無法隨腹板混凝土的微沉而下沉，因而在梁梗部形成簿弱線，尤其在鋼筋布設處的混凝土最為簿弱，所以混凝土在此處因腹板混凝土局部下沉而產(chǎn)生拉應力，容易將混凝土拉裂縫。3.2.3混凝土保護層不足在澆筑過程中，由于鋼筋受到踩踏，混凝土下料高度過高沖擊鋼筋骨架，鋼筋保護層變薄，造成鋼筋下無粗集料的現(xiàn)象。就是說，在保護層不足的鋼筋下，只剩下高標號的水泥砂漿，而其突出特點是易裂，這也是梁梗部產(chǎn)生裂縫的原因之一。3.3預防措施造成梁體裂縫的原因大體就是上述的三條，針對這三條原因所采取的措施是：（1）、增加腹板混凝土施工后的合理技術間隙時間（在混凝土初凝時間內(nèi)），以便盡量完成混凝土剩余的自沉。（2）、增加頂板混凝土二次復振，使頂板混凝土沉實并與腹板密貼，同時也要加強振搗，消除鋼筋外混凝土難以振實的缺陷。（3）、要控制好混凝土的保護層厚度，特別是梁體的薄弱部位要特殊處理，增加墊塊，嚴禁踩踏鋼筋等。（4）、在梁梗部，合理增加抗裂鋼筋網(wǎng)，減少裂縫產(chǎn)生的幾率。（5）、保證施工人員規(guī)范操作、機械設備配置合理等一些作業(yè)常識。3.4對已經(jīng)產(chǎn)生裂縫的梁處治辦法對已經(jīng)出現(xiàn)的裂縫，首先應在裂縫末端鉆眼截住裂縫，以防止繼續(xù)開裂。截住縫鉆孔深度宜小于或等于裂縫端部的縫深，隨即對裂縫進行破口檢查，檢查裂縫深度；其次分析梁體裂縫處的應力狀態(tài)，包括施工階段和使用階段；再者，分析裂縫深度和位置對梁的危害；最后，在上述分析的基礎上，對于允許修補的梁，采用目前已有的修補方法和自己掌握的技術水平，選擇適合的修補辦法給予修補。如上所舉實例中出現(xiàn)的T梁裂縫，其中除了第2、5兩榀梁因為裂縫較長，安全起見報廢外，其余的梁均采取上述裂縫處治辦法。首先進行鉆眼止縫；其次檢查該縫裂深，最深1.5cm（到鋼筋為止），縫寬0-2.5mm；再次分析梁體裂縫處的受力狀況，該梁梗部屬受壓區(qū)，裂縫存在對于梁梗部受壓不利，且梁梗部裂縫對內(nèi)部鋼筋有銹蝕。最后制定了處治措施，具體修補辦法是：裂縫寬度≥0.02mm者，采用注射高強度混凝土粘合劑的辦法來粘結(jié)混凝土；裂縫<0.02mm者，鑿開裂縫，采用灌注環(huán)氧樹脂砂漿來粘結(jié)修補裂縫。上述兩種修補辦法，經(jīng)過檢查，效果比較理想。

4、空心板裂縫

4.1實例

原新高速公路某標段預制廠生產(chǎn)20m和16m預應力空心大板，進入冬季后，該施工單位采取了必要的冬季施工措施，冬季施工的第1塊板時室外氣溫為-1-4°C，日平均氣溫為2-5°C，該梁澆筑完成后，操作人員馬上將溫棚內(nèi)的溫度升高，溫度升高的記錄見表2：表2項目

單位

記

錄

備注時間

h

0.5

1.0

1.5

2

4

6

10

溫度

°C

1.5

6.2

8.5

11.6

13

14.2

14.8

36小時后，進行了拆模，在空心板跨度2/5處出現(xiàn)一條1mm寬的裂縫，該裂縫貫通空心板側(cè)面和2/3底板，只有1/3底板未開裂，試壓三天期同條件養(yǎng)護試件，強度已經(jīng)達到設計強度的79.9%。第七天試壓了同期同條件養(yǎng)護的試件，其強度已經(jīng)上升到設計強度的101%。于是，第七天時，對該板進行了預應力張拉，張拉后裂縫消失，（用十倍放大鏡只能看到板梁的上1/5高以上有細微裂縫）。由于對該板不放心，經(jīng)各方面研究決定：用該板做非破壞性荷載試驗，試驗最大荷載為120%設計荷載。在該板澆筑完成后的第31天，進行了試載，試載過程顯示情況為：在荷載達100%設計荷載時，板底未出現(xiàn)裂縫；在荷載達到109%設計荷載時，板底出現(xiàn)一條裂縫，縫寬為0.08mm；在荷載達到115%設計荷載時，板底出現(xiàn)四條裂縫，最大縫寬為0.22mm，最大高度0.38mm，板體原橫斷面裂縫處仍無破壞現(xiàn)象；再加荷到設計荷載的123%時（由于荷載量級原因超過原計劃120%3個百分點），板底最大裂縫寬度加大到0.51mm，梁體原橫斷面裂縫處仍無破壞現(xiàn)象，卸載至100%時梁體的裂縫寬度消失。完全卸載后，梁體的預拱度有0.3mm的殘余變形，比預計的殘余變形小。理論上說，該梁可以使用，但為安全起見，作為試驗板，不在使用。

4.2原因分析該空心板產(chǎn)生的