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1、“高墩大跨预应力混凝土连续刚构桥设计与施工关键技术研究工程研究报告之四预应力混凝土连续刚构桥施工过程中的典型问题分析及其技术对策“高墩大跨预应力混凝土连续刚构桥设计与施工关键技术研究课题组2007年1月26日“高墩大跨预应力混凝土连续刚构桥设计与施工关键技术研究工程研究报告之四预应力混凝土连续刚构桥施工应注意的问题分析及其技术细节报告撰写：方 志 汪 剑报告 曹传林 廖朝华湖北沪蓉西高速公路建设指挥部 湖南大学土木工程学院 代章中交第二公路勘察设计研究院2007年1月26日目 录一研究背景二预应力混凝土连续刚构桥箱梁裂缝成因分析三预应力混凝土连续刚构桥主梁下挠过大成因分析四预应力混凝土连续刚构
2、桥施工中其它问题五预应力混凝土连续刚构桥上部结构施工建议一 研究背景混凝土薄壁箱梁以其良好的结构整体受力性能和跨越能力而在现代大跨桥梁结构中得到广泛应用，沪蓉西延线的大跨预应力混凝土连续刚构桥的主梁亦不另外地均采用这种断面形式。但在国内迄今所修建的混凝土薄壁箱梁桥中，在施工阶段和/或运营阶段，箱梁上均存在较多的开裂现象，裂缝的出现必将对结构的刚度和耐久性产生不利影响；此外随着使用年限的增加，连续刚构桥的跨中不断下挠，这会使桥梁运营期内出现不良线形而引起乘客的不舒适感，甚至危及行车平安。跨中下挠又会进一步加剧箱梁底板开裂，而箱梁梁体裂缝增多使结构刚度降低，进一步加剧了跨中下挠，这两者互相影响形成
3、了恶性循环，这些问题至今尚未得到较好的解决，已成为多年来困扰工程技术界的一个难题。引发上述病害的原因十分复杂，从工程实例来看，病害与结构受力和抗力的变化有关。根据结构的受力特性，使主梁产生持续下挠可能与主梁混凝土收缩及徐变、主梁刚度变化、主梁纵向预应力有效性降低及荷载增加等因素有关；使箱梁产生裂缝可能与主梁纵向、竖向预应力有效性降低、局部受力、混凝土徐变收缩、混凝土性能不稳定以及施工质量等因素有关。本报告主要着眼于大跨预应力连续刚构桥施工阶段和/或运营阶段出现的上述病害，对其具体形成原因进行详细分析，并在此根底上提出预防混凝土箱梁桥开裂及下挠过大的有效措施，为沪蓉西延线大跨预应力混凝土连续刚构
4、桥的设计和施工提供有效的技术支持。二 预应力混凝土连续刚构桥箱梁裂缝成因分析一混凝土结构上的裂缝种类虽然使混凝土结构产生裂缝的原因很多，但可以将其分为荷载裂缝和非荷载裂缝和非荷载裂缝两大类。所谓荷载裂缝是指外荷载作用下构件内的拉应变超过混凝土的极限拉应变所致，根据构件的受力特征不同有受拉、弯拉、剪切和扭转等裂缝形态；而非荷载裂缝是指材料收缩、温度变化、钢筋锈蚀、地基不均匀沉降以及施工养护不当等引起的裂缝。从工程实例来看，混凝土箱梁桥开裂的原因，由非荷载为主要因素引起的裂缝约占全部裂缝的80%，而由荷载因素引起的裂缝仅占20%，但过去人们对非荷载因素的重视程度远不如荷载因素，施工阶段及运营阶段出
5、现的大局部裂缝，更是与非荷载因素紧密相关。混凝土结构中存在拉应力是产生裂缝的必要条件， 结构中主拉应力到达混凝土的抗拉强度时，并不立即产生裂缝，而是当拉应变到达极限拉应变时才出现裂缝。硬化后的混凝土极限拉应变约为15010-6，即10m长的构件，产生1.5mm的很小受拉变形即会产生裂缝。由于混凝土材料的不均匀性，裂缝首先在强度最小的位置发生。1.非荷载裂缝引起混凝土结构产生非荷载裂缝的原因很多，在施工阶段主要有材料、混凝土浇注时的水化热、下沉和泌水以及施工质量控制等方面的原因。2.荷载裂缝根据构件的受力特征不同有图1所示的受拉、弯拉、剪切和扭转等形态的荷载裂缝。在混凝土薄壁箱梁中，可能出现的典
6、型荷载裂缝包括：正截面抗裂能力缺乏所导致的弯曲裂缝包括顶板沿顺桥向的弯曲裂缝和主梁沿竖桥向的弯曲裂缝、斜截面抗裂能力缺乏所导致的腹板斜裂缝以及预应力锚下局部承压区域抗裂能力缺乏所导致的锚下纵向裂缝。图1 荷载裂缝二非荷载裂缝及其成因分析1材料原因l 水泥品质受风化的水泥，其品质很不安定，混凝土浇筑后到达一定强度前，在凝结硬化阶段会产生如图2所示的短小的不规那么裂缝。随着水泥品质的改善，这种裂缝目前较少见到。图2 水泥异常凝结引起的裂缝l 水泥水化热水泥用量在300kg/m3左右时，混凝土在绝热情况下由于水泥水化热将导致混凝土内部温度上升为3040左右图3。在实际结构中，内部因水化热产生蓄热的同
7、时，构件外表还产生放热，使得构件内存在内表温度差。构件的最小尺寸大于800mm时，通常可认为是大体积混凝土。对于大体积混凝土，内部温度较大，构件外周温度较低，内外温差很大，引起内外混凝土膨胀变形差异，内部混凝土膨胀受到外部混凝土的变形约束，而使构件外表混凝土受拉而可能产生裂缝。这种裂缝在构件外表通常呈直交状况图4。此外，大型构件与小尺寸构件共同组成的结构如大尺寸梁或厚腹板与相邻薄板中亦可能因温差的影响产生裂缝图5。图3 混凝土绝热情况下的温度上升图4 大体积混凝土的温度、应力分布和裂缝图5 水化热引起构件内部的温度变化l 骨料性质骨料中的泥份、级配较差和骨料的碱性可能引起混凝土开裂，相应的裂缝
8、形态分别如图6和图7所示。图6 骨料中泥份引起的裂缝图7 碱骨料反响引起的裂缝2混凝土下沉和泌水混凝土浇筑后，在凝结过程中会产生下沉和泌水，下沉量约为浇筑高度的1%。当下沉受到钢筋或周围混凝土的约束会产生图8所示裂缝。图8 混凝土泌水下沉引起的裂缝3施工原因混凝土制备及浇注过程中由于混合料搅拌不均、搅拌时间过长、浇注速度过快、浇注程序不妥、振捣不密实或振捣时间过长、养护不当、浇注接缝以及模板和支架系统变形过大等因素均可能导致混凝土开裂图9。混合材料搅拌不均匀，将会使材料的膨胀性和收缩产生差异，从而可能引起局部的一些裂缝。混凝土长时间搅拌或混凝土运输时间过长，在搅拌突然停止后混凝土会很快硬化产生
9、异常凝结，从而引起网状裂缝。混凝土浇注程序不对，先浇注后端紧靠前一浇注节段，然后逐步向前端浇注，前端的荷载引起悬臂支架变形，从而导致后端混凝土裂开；此外悬臂浇注移动支架的整体刚度不够，浇注过程中变形大，吊带调节不灵亦可导致形成箱梁节段间施工接缝处的腹板竖向裂缝。混凝土振捣不密实，将会使得混凝土不均匀，从而可能引起局部的一些裂缝；而混凝土振捣时间过长，会造成混凝土离析，同样可能产生裂缝。混凝土浇注时间选取不当，在浇注时如气温过高，混凝土外表的枯燥过快会产生较大收缩，且受到内部混凝土的约束，从而导致在外表产生裂缝。当构件高度较大而混凝土浇筑速度过快，如一次快速浇筑混凝土，那么因下部混凝土尚未充分硬
10、化会产生下沉，从而引起裂缝。相邻层、块浇筑先后时差过长时，先浇筑的混凝土已硬化，从而导致接缝处混凝土不连续而产生裂缝；此外假设相邻节段混凝土施工的间隔过长，那么由于相邻节段混凝土收缩差过大可能导致后浇节段混凝土上产生裂缝。混凝土养护不当，如在混凝土脱模之后才开始洒水养护，混凝土会由于水泥在水化过程中产生大量的水化热而产生体积膨胀，且在冷却后体积收缩过大从而导致裂缝的产生。支架变形过大支架整体刚度缺乏，或对软地基未做处理致使支架沉降，导致连续梁浇注混凝土后，跨中下方和墩顶上方梁体开裂，梁体变形。 图9 混凝土制备、浇注不当和模板、支架变形过大引起的裂缝三预应力混凝土薄壁箱梁桥荷载裂缝的成因分析1
11、荷载裂缝的成因分析众所周知，如果结构上的各种作用、作用效应以及结构抗力均已确定清楚且足以反映结构的受力实际，那么据此进行的结构设计在正常施工、正常使用的前提下结构应该满足相应的预定功能要求，在施工阶段和设计使用年限内不致发生意料之外的病害。下面将从结构上的作用、作用效应以及结构抗力三个方面简要阐述现行标准的局限以及可能的荷载裂缝成因。1结构上的作用桥梁结构上所承受的作用一般有荷载包括恒载和活载等的直接作用以及温度、混凝土收缩徐变和支座位移等的间接作用。至于恒载、活载等直接作用和支座位移、支座不均匀沉降等间接作用下薄壁箱梁桥的结构反响，采用现在的结构分析理论就可以对其进行切合实际的刻划和描述，这
12、已为众多的现场和室内荷载实验结果所证实。而温度、混凝土收缩徐变等间接作用非荷载作用下薄壁箱梁桥的结构反响由于结构内温度场特别是日照温差模式确定的不易以及对混凝土收缩徐变特别是徐变机理认识的有限使得采用现行分析理论所得结果具有相当的近似性和不确定性，因此一般认为薄壁箱梁桥上所出现的这些裂缝是由于日照温差和混凝土收缩徐变等非荷载因素特别是日照温差所导致的结构温度应力所致，但问题是为什么按现有标准进行计算还不能防止这种现象的出现？其原因应该是现有计算方法和温差计算模式的不完善所致。不过新的?公路桥涵设计通用标准JTG D602004?和?公路钢筋混凝土和预应力混凝土桥涵设计标准JTG D622004
13、?在混凝土结构的温度作用及收缩徐变作用方面较相应的85标准有明显的进步，分别给出了新的相对较为合理的混凝土结构温度梯度和混凝土收缩徐变计算模型。但现行标准没有考虑全国范围内的气候差异，不管东西南北均采用同一温差模式，此举是否适宜无疑值得进一步探讨。湖北的气候属于大陆性中亚热带季风湿润气候，光热充足，雨量丰沛，无霜期长，湿热天气为其主要特征。因此，处于湖北地区的混凝土薄壁箱梁结构，其内的典型温度场应该带有其自身的区域特征。迄今人们对混凝土收缩徐变特别是混凝土徐变机理的认识还不清楚，现行有关混凝土收缩徐变的计算公式多以实验室模型实验结果为依据确定的，但由于实际混凝土箱梁结构的尺寸较大同时又处于复杂
14、的自然环境中，因此，以实验室模型实验结果为依据确定的混凝土收缩徐变的计算公式能否应用于自然环境中的大型桥梁结构上确实有必要作进一步的审视。因此，即使现有设计均满足相应的设计标准，由于混凝土箱梁温度和收缩徐变计算模式的不完善将导致结构设计存在相当的近似性。此外，施工阶段作用在结构上的施工荷载在设计阶段无法准确计及，只能依据经验采用近似的估计值，由此亦带来结构的设计状态与实际状态的差异。因此，在结构上的作用方面，混凝土箱梁温度和收缩徐变计算模式的不完善以及施工荷载的难以准确估计是造成桥梁设计状态与实际状态差异的主要原因。当然，结构在运营阶段的非正常使用如过多的超载也是导致混凝土箱梁开裂的主要原因。
15、2结构的作用效应基于现有的分析理论和分析手段，结构在确定作用下的作用效应内力与变形能够比拟可靠地予以确定，这已为众多的现场和室内荷载实验结果所证实。但在国内现行的预应力混凝土连续刚构桥的设计实践中，由于平面杆系结构分析和三维实体结构分析之间计算量的巨大差异，使得一般在结构静力分析时，均将结构简化为平面杆系结构模型而只进行平面分析，并未考虑混凝土薄壁箱梁的空间整体效应对其进行三维空间分析。此举对于纵向和竖向结构的整体效应不会带来不可接受的误差，但对箱梁的横向受力那么不可能反映实际，特别是混凝土箱梁横向温度效应的计及，现行标准并未给出明确规定。而下面的分析说明，仅箱梁顶板跨中板底的横向温度应力就有可能超过3MPa。如果箱梁顶板的预应力不能得到有效保证，那么在运营阶段在结构恒载、车轮荷载及温度的共同作用下，箱梁顶板跨中的板底就会出现纵向的弯曲裂缝。此外，标准对于预应力锚下局部承压区这一
