文良統(tǒng)

0 引言

預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)具有整體性好、跨越能力強(qiáng)、施工費(fèi)用少等優(yōu)點(diǎn)，在大型橋梁中得到了廣泛應(yīng)用，但由于其混凝土收縮、徐變、溫濕度變化，預(yù)應(yīng)力損失，原材料及混凝土施工質(zhì)量等影響，容易引起箱梁混凝土開裂。按照全預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)的要求，箱梁結(jié)構(gòu)不允許帶裂縫工作，裂縫的出現(xiàn)不僅對結(jié)構(gòu)的耐久性和使用壽命帶來嚴(yán)重?fù)p害，而且對結(jié)構(gòu)的整體安全性帶來嚴(yán)重隱患。

近十年來，大跨徑混凝土梁橋不斷發(fā)展，主跨的持續(xù)下?lián)希拱逍绷芽p，底板裂縫、橫隔板裂縫等現(xiàn)象已成為國內(nèi)外大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的常見病害?；炷灵_裂是一個(gè)復(fù)雜的綜合性問題，它涉及結(jié)構(gòu)、材料與施工等多方面因素［1］。準(zhǔn)確分析和評價(jià)混凝土的開裂趨勢，是采取措施有效地減少或避免開裂的前提。在重要的混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過程中，對材料的抗開裂性能進(jìn)行評價(jià)，并以其作為設(shè)計(jì)、施工與原材料選用的依據(jù)，有效地保證結(jié)構(gòu)物在不同環(huán)境中達(dá)到其設(shè)計(jì)使用壽命，已成為當(dāng)前混凝土材料界和工程界研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。

混凝土結(jié)構(gòu)施工早期的開裂問題越來越受到重視［2，3］，到目前為止，國際材料與結(jié)構(gòu)試驗(yàn)和研究實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合會(RILEM)已經(jīng)召開過三次會議:1982年在巴黎召開了“早期混凝土”會議;1994年在德國慕尼黑召開了“混凝土早期熱裂縫”國際會議;2001年在以色列召開了“膠凝系統(tǒng)的早期開裂”會議。

本文結(jié)合廣西自治區(qū)貴港市桂平郁江特大橋連續(xù)梁橋施工的實(shí)際情況來加以論述大跨預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋施工質(zhì)量控制措施。廣西梧州至貴港高速公路k124+770桂平郁江特大橋橋型結(jié)構(gòu)為:12×30 m T梁+(88+2×160+88)m+18×30 m T梁，橋長1 404 m。主橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土變截面薄壁連續(xù)剛構(gòu)，下部采用雙薄壁實(shí)心墩;引橋上構(gòu)為先簡支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，下部結(jié)構(gòu)為雙柱式橋墩，橋臺為肋式橋臺;全橋基礎(chǔ)為鉆孔樁基礎(chǔ)。

結(jié)合上述桂平郁江特大橋現(xiàn)場施工實(shí)際情況，考慮混凝土箱梁橋的特點(diǎn)，制定適合大跨連續(xù)箱梁混凝土施工技術(shù)方案和現(xiàn)場質(zhì)量控制措施，提出具有可操作性的控制混凝土澆筑質(zhì)量特別是控制早期混凝土裂縫的相應(yīng)技術(shù)方法。

1 箱梁混凝土預(yù)防早期裂紋產(chǎn)生的施工措施

1.1 控制原材料質(zhì)量

對原材料(鋼筋、水泥、砂、碎石、水等)都應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的抽樣檢驗(yàn)，對混凝土配合比應(yīng)進(jìn)行對比試驗(yàn)。如果砂、碎石的含水量與設(shè)計(jì)時(shí)存在差異(比如說溫度過高或者下雨后)應(yīng)對其含水量進(jìn)行重新測試，并根據(jù)實(shí)測含水量實(shí)時(shí)調(diào)整配合比，以保證混凝土的澆注質(zhì)量。箱梁混凝土材料控制和配合比優(yōu)化的主要原則如下:

1)為增加混凝土的早期強(qiáng)度、減少水化熱及由此導(dǎo)致的溫差引起的早期裂縫，減少水化時(shí)引起的收縮裂紋，建議在薄壁箱梁混凝土施工時(shí)選用初凝時(shí)間較長、水化熱低、收縮小、含堿量較低的高品質(zhì)水泥。

2)依據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ 041－2000)［4］的要求，嚴(yán)格控制粗骨料的含泥量，有機(jī)質(zhì)、硫化物及云母等雜質(zhì)的含量，砂、石的含泥量應(yīng)根據(jù)控制在1%以內(nèi)。

3)為獲得較小的混凝土空隙率及表面積，應(yīng)控制骨料級配，應(yīng)該選取強(qiáng)度高、級配好的骨料，從而減小混凝土的內(nèi)部缺陷，提高混凝土的質(zhì)量，避免因缺陷導(dǎo)致應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂縫。

4)嚴(yán)格控制好水泥用量，在達(dá)到強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上盡量少用水泥，以免產(chǎn)生因水泥用量過多導(dǎo)致的收縮裂紋、水化熱裂縫等現(xiàn)象。

5)選擇合適的外加劑，如膨脹劑、減水劑、緩凝劑等，起到增加和易性、增加強(qiáng)度、改善塑性的作用。另外，為減小水泥用量，可在箱梁混凝土中摻入一定量的粉煤灰，以提高其密實(shí)度，降低收縮值。

1.2 優(yōu)化配合比

對于強(qiáng)度較高的混凝土(一般對于強(qiáng)度等級大于C50的混凝土)，應(yīng)根據(jù)箱梁混凝土技術(shù)參數(shù)要求、使用原材料情況和設(shè)計(jì)參數(shù)的確定，從水膠比、膠凝材料總用量及粉煤灰摻量等參數(shù)上變化設(shè)置10組以上配合比，對10組配比進(jìn)行分析、比較。以某主跨154 m的連續(xù)梁橋?yàn)槔?，該橋箱梁混凝土?qiáng)度等級為C55，優(yōu)化和配合比為:水泥∶粉煤灰∶砂∶碎石∶水∶外加劑 =353∶116∶730∶1 121∶142∶5.159(kg/m3)。最優(yōu)配合比下拌合物及混凝土性能見表1。

利用該配合比進(jìn)行該大橋施工，效果良好，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

1)標(biāo)養(yǎng)和現(xiàn)養(yǎng)條件下混凝土28 d的立方體抗壓強(qiáng)度分別為 74.9 MPa 和69.2 MPa。

2)混凝土入模溫度較低，腹板混凝土澆筑后的絕對溫升不大，水化過程中箱梁內(nèi)外溫差很小，箱梁混凝土水化熱并不會導(dǎo)致裂縫的出現(xiàn)。

3)施工過程中及成橋后均無可見裂縫產(chǎn)生。

1.3 采用大剛度掛籃

該橋掛籃主桁系統(tǒng)采用三角形，桿件由H600型鋼加工而成，型鋼兩側(cè)各貼鋼板形成箱形截面桿件，各桿之間通過箱式節(jié)點(diǎn)板及材質(zhì)30CrMnTi和45#鋼的銷子連接。平聯(lián)采用槽鋼組焊，通過銷軸連接主桁，以提高主桁的整體穩(wěn)定性和剛度。模板重量和澆筑混凝土階段混凝土的重量由掛籃前吊桿和后吊桿承擔(dān)。主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 本掛籃主要技術(shù)指標(biāo)

掛籃是大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋施工時(shí)混凝土階段混凝土澆注時(shí)的重要工作平臺和承重構(gòu)件，其強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性對懸臂澆注施工橋梁的混凝土澆注質(zhì)量和整體安全非常重要，因此在掛籃使用前對其預(yù)壓是十分必要的，預(yù)壓結(jié)果表明，本次掛籃預(yù)壓得到的掛籃彈性變形為18 mm，不可恢復(fù)的非彈性變形為4.5 mm，殘余變形值較小，表明該掛籃的彈性性能和恢復(fù)性能良好。大剛度掛籃可以很好的抑制箱梁混凝土的早期裂縫。

1.4 規(guī)范澆筑工藝，加強(qiáng)現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)

1.4.1 澆筑工藝

1)澆注混凝土前，應(yīng)對支架、模板、鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行檢查，符合要求后方可澆注混凝土。用與混凝土攪拌用水清洗模板內(nèi)的雜物。澆注混凝土前，對混凝土的坍落度和均勻性進(jìn)行檢查。

2)冬季施工時(shí)，混凝土拌合物的出機(jī)溫度不宜低于10℃，入模溫度不得低于5℃。

3)熱期施工時(shí)，混凝土的澆注溫度應(yīng)控制在32℃以下，宜選在一天溫度較低的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行。

4)自高處向模板內(nèi)澆注混凝土?xí)r，為避免混凝土發(fā)生離析，澆注高度應(yīng)符合下列要求:

①傾落高度不應(yīng)超過2 m;

②當(dāng)傾落高度超過2 m時(shí)，應(yīng)通過串筒或溜管等設(shè)施下落;傾落高度超過10 m時(shí)，應(yīng)設(shè)置減速裝置;

③在串筒出料口下面，混凝土堆積高度不宜超過1 m。

5)混凝土應(yīng)按一定厚度、順序和方向分層澆筑，應(yīng)在下層混凝土初凝之前澆注完成上層的混凝土。混凝土分層厚度不宜超過表3的規(guī)定。

表3 混凝土分層澆筑厚度

另外，不得使用局部已硬化的混凝土、加水重拌的混凝土以及初凝后再次攪拌的混凝土。當(dāng)采用插入式振動(dòng)器時(shí)，振動(dòng)棒應(yīng)選用50型或70型。鋼筋密集處和狹窄處可選用30型振動(dòng)棒進(jìn)行振搗，確保振搗全面到位?；炷恋恼駬v宜符合下列規(guī)定:

1)為消除上、下兩層之間的接縫，振動(dòng)棒應(yīng)插入到新澆混凝土底部并進(jìn)入到下層混凝土150 mm左右，同時(shí)應(yīng)將振動(dòng)棒上下抽動(dòng)，持續(xù)時(shí)間宜為5～10 s，使混凝土接觸面密實(shí)。

2)根據(jù)現(xiàn)場混凝土坍落度情況，確定合理的振搗時(shí)間，對于坍落度在60～80 mm的混凝土，一般每點(diǎn)振搗時(shí)間控制在20～30 s左右，對于坍落度較大的泵送混凝土，一般每點(diǎn)振搗時(shí)間控制在15～20 s左右，避免振搗不充分或者過振。

3)混凝土塑性沉降裂縫易出現(xiàn)在流動(dòng)性較大的混凝土特別是泵送混凝土中。為防止塑性沉降裂縫的出現(xiàn)，對于坍落度大于100 mm的混凝土，應(yīng)在混凝土澆注完畢、初凝完成之前對頂層混凝土進(jìn)行復(fù)振，振搗時(shí)間宜為10～15 s。

4)若構(gòu)件表面浮漿較厚，可采取可靠措施及時(shí)將浮漿清除。尤其要注意預(yù)應(yīng)力齒板處的振搗，此處局部配筋密集，不易振搗密實(shí)，容易在張拉時(shí)產(chǎn)生荷載裂縫。振搗時(shí)應(yīng)注意振搗器不能直接接觸波紋管，以避免波紋管破裂或者產(chǎn)生較大的變形。

1.4.2 養(yǎng)護(hù)工藝

規(guī)范現(xiàn)場混凝土澆筑工藝的同時(shí)，還應(yīng)該加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)工作，結(jié)合薄壁箱梁混凝土的特點(diǎn)，形成一套完善的養(yǎng)護(hù)措施:

1)應(yīng)根據(jù)混凝土施工時(shí)間的長度，確定混凝土攪拌及運(yùn)輸?shù)姆桨?，避免混凝土在運(yùn)輸過程中水分蒸發(fā)過多，導(dǎo)致塌落度降低，和易性變差，進(jìn)而影響施工，發(fā)生泵送混凝土的堵管現(xiàn)象?；炷烈淮尾灰藵沧⑦^多，以免水分蒸發(fā)，發(fā)生因施工不當(dāng)導(dǎo)致的不規(guī)則裂紋。

2)箱梁截面一般較高，在高度方向通常會分層澆注，這是兩層的結(jié)合面應(yīng)充分鑿毛，另外，分段澆注混凝土的端面也應(yīng)該嚴(yán)格按規(guī)范執(zhí)行，以免混凝土結(jié)合界面產(chǎn)生裂縫。

3)振搗混凝土應(yīng)嚴(yán)格按《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ 041－2000)［4］執(zhí)行，避免過振導(dǎo)致混凝土離析、漏振及振搗不密實(shí)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生空洞或孔洞，影響混凝土施工質(zhì)量，受力后應(yīng)力集中，產(chǎn)生裂縫。

4)澆筑完畢后，應(yīng)及時(shí)對其加以覆蓋并保濕養(yǎng)護(hù)，頂板和底板表面，采用塑料薄膜或者土工布;溫度低于5℃時(shí)，應(yīng)采用棉被覆蓋，以確?；炷琉B(yǎng)護(hù)到位。

5)懸臂澆注施工的關(guān)鍵之一，在于合理控制拆模時(shí)間，依據(jù)現(xiàn)場混凝土的養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度及彈性模量發(fā)展規(guī)律，建議箱梁施工時(shí)拆模時(shí)間應(yīng)控制在4 d以上。

1.5 降低混凝土的水化熱

我國《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ 041－2000)［4］指出:大體積混凝土是指最小邊尺寸在1～3 m范圍內(nèi)的混凝土。日本建筑學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)(JASS5)［5］認(rèn)為:“結(jié)構(gòu)斷面最小尺寸在 0.8 m 以上，若水化熱導(dǎo)致的內(nèi)外溫差大于25℃，可以稱之為大體積混凝土?！惫鹌接艚卮髽蛳淞?#塊及1#塊梁段腹板、底板的厚度均接近1 m，可以認(rèn)為其為大體積混凝土，因此，混凝土早期水化熱不容忽視，如果養(yǎng)護(hù)措施不到位，極易產(chǎn)生混凝土開裂。因此控制水化熱是十分有必要的［5，6］。水泥水化熱將導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度上升，使得構(gòu)件內(nèi)存在內(nèi)表溫度差。控制水化熱導(dǎo)致溫差過大引起箱梁開裂的主要措施如下:

1)減小水泥用量，在保證混凝土強(qiáng)度的前提下，限制水泥用量，并且選擇水化熱低的水泥品種。

2)采取合理的養(yǎng)護(hù)措施，加強(qiáng)混凝土的表面保溫，減小混凝土內(nèi)外溫差，冬季施工特別要注意對混凝土進(jìn)行保溫養(yǎng)護(hù)。

3)規(guī)定合理的拆模時(shí)間，最后在現(xiàn)場試驗(yàn)室進(jìn)行混凝土強(qiáng)度發(fā)展曲線測試，依據(jù)混凝土強(qiáng)度發(fā)展曲線合理確定拆模時(shí)間，另外，如果遇到風(fēng)力特別大或者溫度驟然變化，應(yīng)更加注意拆模導(dǎo)致的溫度變化。

4)摻加適量的粉煤灰以減少水泥用量，是降低混凝土的水化熱導(dǎo)致的溫差過大，防止箱梁混凝土出現(xiàn)溫致裂縫最有效的方法之一。

1.6 嚴(yán)格控制張拉齡期

混凝土結(jié)構(gòu)在施工過程中的力學(xué)表現(xiàn)，受諸多可變因素的影響，是最典型的慢速時(shí)變結(jié)構(gòu)力學(xué)問題之一。混凝土材料的物理力學(xué)性能諸如混凝土抗壓強(qiáng)度、彈性模量等均隨著齡期的增長而不斷變化發(fā)展，尤以早期發(fā)展最為迅速。

我國設(shè)計(jì)規(guī)范［7］缺少對混凝土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律的描述，而混凝土薄壁箱梁一般采用強(qiáng)度較高(高于C50)的混凝土，這類混凝土的強(qiáng)度及彈性模量的發(fā)展規(guī)律直接影響施工期間混凝土的設(shè)計(jì)方法和施工工藝，因此有必要對混凝土的早期強(qiáng)度進(jìn)行研究。一般通過在現(xiàn)場及試驗(yàn)室養(yǎng)護(hù)同批次的混凝土立方體和棱柱體試件，測試混凝土早期的強(qiáng)度及彈性模量發(fā)展曲線，然后依據(jù)實(shí)測曲線進(jìn)行理論分析，進(jìn)而確定混凝土的張拉齡期，避免因預(yù)應(yīng)力過早張拉導(dǎo)致混凝土箱梁開裂。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和現(xiàn)場同條件養(yǎng)護(hù)下混凝土強(qiáng)度、彈性模量的發(fā)展曲線，測試結(jié)果表明:實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的混凝土強(qiáng)度要高于現(xiàn)養(yǎng)條件對應(yīng)的強(qiáng)度;自然養(yǎng)護(hù)時(shí)，棱柱體彈性模量發(fā)展速率較快;因此，實(shí)際施工過程中應(yīng)預(yù)留現(xiàn)養(yǎng)試塊，并以此作為施工進(jìn)度指導(dǎo)依據(jù)。

依據(jù)現(xiàn)場混凝土強(qiáng)度及彈性模量的測試結(jié)果:預(yù)應(yīng)力不應(yīng)過早張拉，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求的7 d張拉齡期，進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉。

1.7 保障預(yù)應(yīng)力的有效性

腹板開裂是連續(xù)梁橋開裂最常見一種，豎向預(yù)應(yīng)力能有效防止腹板開裂(有效預(yù)應(yīng)力得到保證)。但目前工程中即便腹板設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力，但還是普遍存在開裂現(xiàn)象，因此有必要對豎向預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行測試。結(jié)合桂平郁江特大橋預(yù)應(yīng)力的的施工，建議采取的措施如下:

1)張拉前準(zhǔn)備工作。準(zhǔn)確定位預(yù)應(yīng)力管道;配套標(biāo)定油泵、油表、千斤頂?shù)仍O(shè)備，防止張拉設(shè)備的誤差造成預(yù)應(yīng)力張拉不到位。

2)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙和現(xiàn)場測試結(jié)果確定的張拉齡期進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉。

3)根據(jù)現(xiàn)場條件，選取有代表性的鋼束進(jìn)行現(xiàn)場預(yù)應(yīng)力損失測定，并與設(shè)計(jì)提供的預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行比較，及時(shí)調(diào)整預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)及施工方案，確保鋼束中的有效預(yù)應(yīng)力達(dá)到要求。

4)采取適當(dāng)?shù)拇胧?，保證預(yù)應(yīng)力孔道的灌漿質(zhì)量，對于大跨預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋應(yīng)采用真空灌漿，并對灌漿質(zhì)量進(jìn)行檢查。

5)對于長度較短的預(yù)應(yīng)力鋼束，一般長度小于6 m的鋼束，應(yīng)特別注意預(yù)應(yīng)力的張拉質(zhì)量，箱梁內(nèi)長度較短的橫、豎向預(yù)應(yīng)力可以采用二次張拉的錨具，以減小預(yù)應(yīng)力損失。

2 箱梁裂縫評價(jià)和保證的成套體系

以該橋箱梁裂縫控制為研究背景，通過從原材料質(zhì)量控制與優(yōu)選、混凝土配合比設(shè)計(jì)與優(yōu)選、箱梁混凝土合理施工與養(yǎng)護(hù)技術(shù)等方面的研究，提出箱梁裂縫控制評價(jià)和保證體系，如圖1所示。

圖1 箱梁裂縫控制評價(jià)和保證體系

3 結(jié)論

本文結(jié)合高強(qiáng)混凝土薄壁箱梁的特征提出大跨預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋施工質(zhì)量控制措施:

1)控制原材料質(zhì)量;

2)優(yōu)化配合比;

3)規(guī)范澆注及養(yǎng)護(hù)工藝;

4)嚴(yán)格控制張拉齡期;

5)保證有效預(yù)應(yīng)力的大小。

形成了箱梁裂縫控制評價(jià)和保證體系，可供同類橋梁參考。

［1］呂志濤，劉 釗，孟少平.淺論我國預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的技術(shù)與發(fā)展［J］.橋梁建設(shè)，2001(1):52－56.

［2］ACI Committee 224.Control of cracking in concrete structures［R］.American Concrete Institute，2001.

［3］Transportation research board of the national academies.Control of Cracking in Concrete［R］.Transportation research circular E－C107，Washington，DC，2006.

［4］JTJ 041－2000，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范［S］.

［5］日本建筑學(xué)會.日本建筑學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)(JASS5)［Z］.2003.

［6］朱伯芳.水工混凝土的溫度應(yīng)力與溫度控制［M］.北京:水利水電出版社，1976.

［7］JTG D62－2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.