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1、老庄河特大桥预应力混凝土 裂缝的预防和施工控制,中铁四局黄延高速公路项目经理部 二五年六月十五日,一、工程概况,黄延高速公路老庄河特大桥位于陕北黄土高原南部洛川县境内，桥址处沟壑纵横，地形崎岖。该桥桥跨布置为95m+4170m+95m，为预应力混凝土变截面连续刚构桥，最高墩身105m。老庄河特大桥由左右分离的两个单箱单室截面组成，主梁跟部高度9m，每个T形刚构由22个对称悬灌块段，块段长度从3.0m4.0m逐渐调整，梁段高度从9m3.2m逐渐变化。箱梁底板宽6.5m，顶板宽12m，翼缘板悬臂长2.75m；箱梁端部设内横隔板外，其余部位均不设内横隔板。箱梁分别设纵向、横向、竖向三向预应力，纵向预
2、应力钢绞线束有22j15.24和25j15.24两种，最大长度将近170m。,1、材料原因造成的裂缝 对原材料质量控制不严格，排除配合比因素外，混凝土用粗细集料含泥量过大，集料颗粒级配不良，使混凝土内部不均匀密实，存在微间隙，易造成混凝土收缩的增大，诱导裂纹甚至裂缝的产生。 骨料粒径越细、针片含量越大，水泥等级越高、细度越细、早强越高等均是导致结构砼产生裂纹的因素，但正常情况下，不会因为其中的一两项导致裂缝。 混凝土外加剂、掺和料选择不当、或掺量不当，选用早强型减水剂或矿渣硅酸盐水泥、快硬水泥，也会相应增加导致裂纹几率。,二、高墩大跨连续刚构混凝土裂缝成因,2、混凝土配合比设计原因产生的裂缝
3、设计中水泥等级或品种选用不当。 配合比中水灰比(水胶比)过大，单方水泥用量越大、用水量越高，表现为水泥浆体积越大、坍落度越大，收缩越大。 配合比设计中砂率、水灰比选择不当造成混凝土和易性偏差，导致混凝土离析、泌水、保水性不良，增加收缩值。 配合比设计中混凝土膨胀剂掺量选择不当。,3、施工及现场养护原因 混凝土浇筑的匀质性可减少裂缝的产生，特别是泵送工艺的应用，为保证特大桥梁部重点部位混凝土质量，一方面考虑施工速度等原因外，另一主要原因是尽量保证浇筑混凝土的匀质性。在现场浇筑混凝土时，如振捣或插入不当，漏振、过振或振捣棒抽撤过快，均会影响混凝土的密实性和均匀性，诱导裂缝的产生。 大体积混凝土浇注
4、，对水化热计算误差、现场混凝土降温及保温工作不到位，引起混凝土内部温度过高或内外温差过大，混凝土产生温度裂缝。 高空浇注混凝土，风速过大、烈日暴晒，混凝土收缩值大。 对大体积混凝土工程，缺少两次抹面，易产生表面收缩裂缝。 现场养护措施不到位，混凝土早期脱水，引起收缩裂缝。, 现场模板拆除不当或拆模过早引起拆模裂缝。 现场预应力张拉不当(超张、偏心)，引起混凝土张拉裂缝。 高空浇注混凝土，风速过大、烈日暴晒，混凝土收缩值大。 对大体积混凝土工程，缺少两次抹面，易产生表面收缩裂缝。 现场养护措施不到位，混凝土早期脱水，引起收缩裂缝。 4、结构应力产生的裂缝 块段之间横向裂缝 块段之间的横向裂纹，一
5、般是由于块段接茬混凝土的联结强度偏低，或挂篮下沉量过大造成的，或块段接茬不平顺造成的，表现如下： 块段接茬混凝土的联结强度偏低，是由于混凝土表面凿毛不彻底，或新浇筑混凝土水分向老混凝土过多扩散水分，产生干裂裂缝。, 在混凝土浇筑过程中，挂篮下沉量过大，对已初凝混凝土造成扰动，降低接茬混凝土强度，产生裂缝。 块段接茬不平顺，形成错台现象，形成应力集中部位，产生裂缝。 在1/4跨度附近斜向裂缝 这种裂缝一般是由于剪应力过大，主拉应力超过混凝土的抗拉强度而造成的，有时也与构造钢筋的布置有关。当荷载增大时，裂缝会逐渐向受压区发展。在开裂严重的情况下，裂缝可能沿腹板贯通。 腹板下弯束位置贯通裂缝 这种裂
6、纹一般是由于预应力或截面尺寸设计不合理，导致混凝土压应力过大，腹板的抗剪强度偏低造成，有也与施工质量有关。, 纵向预应力锚下位置纵向贯通裂缝 这种裂纹一般是由于预应力设计吨位过大或截面尺寸不合理，锚下混凝土应力过于集中造成的，有时也与施工质量有关。 底板纵向预应力齿板位置的腹板斜向裂缝 这种裂纹一般是由于设计不合理造成，底板纵向预应力与腹板预应力布置时，形成集中力后的混凝土受拉区应力叠加，形成斜向裂缝。 合拢段横向收缩裂缝 这种裂缝一般是由于混凝土在边界混凝土约束条件下，混凝土在空气中水化收缩，形成沿块段接茬处的收缩裂纹。 以下为几种常见裂纹图片：,1/4跨主拉应力引起的裂缝,腹板下弯束贯通放
7、射裂缝,1、材料选择和混凝土配合比设计方面原因产生的裂缝的预防和施工控制 根据结构的要求选择合适的混凝土强度等级及水泥品种、等级，尽量避免采用早强高水化快的水泥。所选用秦岭牌P.O52.5R水泥物化数据为：C3S含量平均为4852，C3A含量平均为67, C2S含量平均为2127,其主要矿物成分含量适宜配制连续刚构梁部的混凝土。 选用级配优良的砂、石原材料，含泥量符合规范要求,所选用集料的碱活性检测试件膨胀率为0.08，为非活性集料。,三、老庄河特大桥裂纹预防与施工控制, 积极采用掺合料和混凝土外加剂。掺合料和外加剂目标已作为混凝土的第五、六大组份，可以明显地起到降低水泥用量、降低水化热、改善
8、混凝土的工作性能和降低混凝土成本的作用，但要坚决避免使用早强型外加剂。 配合比设计人员应深入施工现场，依据施工现场的浇捣工艺、操作水平、构件截面等情况，针对现场的砂、石原材料质量情况及时调整施工配合比，协助现场搞好构件的养护工作。杜绝含泥量、风化石、山皮等含量超标的地材进场；为保证水泥活性稳定，在有限的场地中力争增加库房面积以增长水泥库存时间；尤其从生产源头加强外加剂的质量控制，保证外加剂的有效减水成分必须为萘系与氨基磺酸盐复合物、缓凝成分必须为三聚磷酸钠与聚乙烯醇、引气成分必须为松香热聚物，防止混入其它廉价替代品增加质量隐患。, 正确掌握好昆凝土补偿收缩技术的运用方法。对膨胀剂应充发考虑到不
9、同品种、不同掺量所起到的不同膨胀效果。应通过大量的试验确定膨胀剂的最佳掺量。 对配合比试配完毕的混凝土进行抗裂性试验 ，如下图：, 混凝土弹性模量的早期发展 见下图：,2、施工及现场养护原因产生的裂缝的预防和施工控制 浇捣工作：浇捣时，振捣捧要快插慢拔，根据不同的混凝土坍落度正确掌握振捣时间，避免过振或漏振，应提倡采用二次振捣、二次抹面技术，以排除泌水、混凝土内部的水分和气泡。 混凝土养护：在混凝土裂缝的防治工作中，对新浇混凝土的早期养护工作尤为重要。以保证混凝土在早期尽可能少产生收缩。主要是控制好构件的湿润养护，对于大体积混凝土，有条件时宜采用蓄水或流水养护。养护时间为1428天。 混凝土的
10、降温和保温工作：对于厚大体积混凝土，施工时应充分考虑水泥水化热问题。采取必要的降温措施(埋设散热孔、通水排热等)，避免水化热高峰的集中出现、降低峰值。浇捣成型后，应采取必要的蓄水保温措施，表面覆盖薄膜、湿麻袋等进行养护，以防止由于混凝土内外温差过大而引起的温度裂缝。老庄河特大桥箱梁0号块均属大体积混凝土，0号块部分施工主要集中在冬季，通过冬季施工措施保证混凝土浇筑温度及养护条件，养护期间外部温度控制在5以上，通过模拟0号块结构尺寸实测混凝土水化热产生的内部温度过高(达到75)，见图3所示。内外温差太大，易造成裂纹，需采取内部降温方法，在征得设计部门同意后增加4层循环水冷却系统，保证混凝土内外温
11、差控制在23以内，7日后混凝土的强度及弹性模量达到设计标准后方可不再养护。, 混凝土的降温和保温工作：对于厚大体积混凝土，施工时应充分考虑水泥水化热问题。采取必要的降温措施(埋设散热孔、通水排热等)，避免水化热高峰的集中出现、降低峰值。浇捣成型后，应采取必要的蓄水保温措施，表面覆盖薄膜、湿麻袋等进行养护，以防止由于混凝土内外温差过大而引起的温度裂缝。老庄河特大桥箱梁0号块均属大体积混凝土，0号块部分施工主要集中在冬季，通过冬季施工措施保证混凝土浇筑温度及养护条件，养护期间外部温度控制在5以上，通过模拟0号块结构尺寸实测混凝土水化热产生的内部温度过高(达到75)，见附图所示。内外温差太大，易造成
12、裂纹，需采取内部降温方法，在征得设计部门同意后增加4层循环水冷却系统，保证混凝土内外温差控制在23以内，7日后混凝土的强度及弹性模量达到设计标准后方可不再养护。,实测混凝土最高温升（体积为1.2*1.2*1.2m3）, 避免在雨中或大风中浇灌混凝土 夏季应注意混凝土的浇捣温度，采用低温人模、低温养护，必要时经试验可采用冰块，以降低混凝土原材料的温度。尽量降低混凝土的入模温度，以期降低混凝土水化速率且使水化能够均匀进行。 3、结构应力产生的裂缝的预防和施工控制 块段之间横向裂纹的预防和施工控制 对于块段接茬混凝土联结强度偏低造成的裂缝，首先，在混凝土达到规定强度后进行接茬混凝土表面凿毛，清除浮浆
13、和松散层，增加联结性能；其次，在浇筑新混凝土前，向已浇筑混凝土洒水湿润，减少接茬面混凝土的干湿变化，使接茬处混凝土具有保持较好的保湿性。, 对挂篮下沉量过大造成的裂缝，首先，在挂篮的设计阶段，提高挂篮刚度，减小下挠度，老庄河特大桥挂篮在175t的设计荷载下，最大下挠度为17mm，能够满足裂缝控制要求；其次，在挂篮的使用阶段，挂篮的节点和支撑部位要求受力简单、明确，不得在混凝土浇筑过程中发生突然的沉降。 块段接茬不平顺造成的裂缝，在混凝土表抹面时，确保接茬平顺。 在1/4跨度附近斜裂缝的预防和施工控制 由于连续的混凝土结构存在次内力的再分配问题，施工过程中的影响因素很多，在裂缝出现后要准确找出原
14、因比较困难。在设计时首先合理确定中、边跨比，加强1/4跨度处的剪应力和主拉应力检算，适当增加箍筋的配置，对连续结构的竖向预应力筋，要充分考虑有效预应力的作用效果。, 施工时，在腹板的下弯束端头增加闭合箍筋，增加混凝土的抗剪能力；混凝土的张拉强度要求达到设计强度，同时要求混凝土在张拉时，混凝土的弹性模量达到设计规范要求；在确定下弯束张拉顺序，由常规的先纵向、后竖向、最后横向的顺序，变为先竖向、后纵向、最后横向的顺序，张拉下弯束前，预先提供部分抗剪力。 纵向预应力锚下位置纵向贯通裂纹的预防和施工控制 设计时，在布置锚下螺旋钢筋的同时，增加了锚下钢筋网片。施工时，准确安装锚下螺旋钢筋和锚下钢筋网片，
15、同时，锚下混凝土要求振捣密实。 底板纵向预应力齿板位置的腹板斜向裂缝预防和施工控制 在设计腹板下弯束的锚固端和底板纵向预应力锚固端布置时，避免集中力后的混凝土受拉区应力叠加，形成斜向裂缝，同时，增大了齿板钢筋的直径，加强底板纵向预应力的锚固性能。, 合拢段横向收缩裂缝预防和施工控制 合拢段横向裂缝是一种收缩裂缝，首先，在合拢段混凝土的浇筑时段选定时确定在一天的最低温度时段，即夜晚的1：003：00，随着混凝土的凝固，混凝土出现收缩特性，空气温度升高，对混凝土的收缩进行部分补偿；其次，在合拢段混凝土配置时，掺入适当的微膨胀剂，补偿混凝土硬化过程中的收缩。,公路桥涵施工规范规定，一般环境下的预应力
16、梁体的裂缝限值为0.1mm，而实际梁体一旦出现了裂缝，多数情况下裂缝的宽度往往超过了限值。即使目前的裂缝对结构受力不会造成影响，单从保证混凝土结构耐久性而言，也必须对其进行处理。 高墩大跨连续刚构预应力混凝土裂缝是一个复杂的技术问题，涉及设计、施工、材料、气候、运营等方面，要从根本上减少以至消除混凝土裂缝现象，需要各方面的努力和配合。 施工单位在混凝土配制和施工、预应力的安装和张拉、挂篮的设计和控制等方面，对裂缝的预防和控制，起到了积极作用。严把原材料关，是保证混凝土质量的关键所在。混凝土配合比的优化设计，也是裂缝的预防和控制的重要环节，尤其要严格控制高标号混凝土的强度、弹性模量、收缩性、水化反应速度等，同时要避免碱骨料反应现象发生。,四、结束语,