刘德清1,刘玲晶2
(1.中铁大桥局集团武汉桥科院有限公司,湖北武汉430034;2.武汉理工大学土木工程与建筑学院,湖北武汉430070)
摘 要:结合东海大桥预制箱梁的工程实践,分析施工现场箱梁裂缝产生的原因,介绍防裂的控制措施以及取得的成功经验。
关键词:箱形梁;预制节段;裂缝;成因;控制措施中图分类号:U448.213;U445.471
文献标识码:A
文章编号:1671-7767(2005)04-0031-03
收稿日期:2005-07-28
作者简介:刘德清(1966-),男,工程师,2003年毕业于中南大学铁道工程专业。
1 工程概况
东海大桥是上海国际航运中心洋山深水港连接陆地专用通道,大桥总长约31.5km ,按双向6车道加紧急停车带的高速公路标准设计,桥宽31.5m 。其非通航孔段预制箱梁梁长59.44m ,梁高3.5m ,翼板两端宽14.85m ,底板宽7.25m ,单片梁重1650t 。
箱梁预制场位于离桥址不远的沈家湾岛,气象水文条件复杂多变,海区全年盐度一般在10.00‰～32.00‰之间,属强混合型海区,海洋环境特征明显。施工过程受不利气象影响很大,作业条件比较恶劣。
预制箱梁为后张法预应力钢筋混凝土结构,结构具有大体积、大跨度、超长、强度高(C50)等特点。采用C50高性能混凝土且具有以下特点:①水泥标号高,掺入大量的高细度矿物掺合料;②水胶比小,水泥浆体积含量较高;③水泥水化快,水化结束得早;④水泥石结构密实,总孔隙率降低,毛细孔细化,且界面过渡区消失。高性能混凝土的上述特点使得其水化热引起温升高且时间早,另外干缩也大,且主要发生在早期。因此干缩与温度收缩是高性能混凝土早期开裂的主要原因,这种早期体积稳定性不良的因素与其弹性模量增长快而抗拉强度并无显著提高等力学特点相耦合,造成了高性能混凝土的早期抗裂性差。该桥处于沿海地区,结构裂缝受海洋环境中诸多物理、化学因素的作用,混凝土耐久性会降低、钢筋过早锈蚀,因此必须加以控制。2 结构裂缝的形式与成因2.1 裂缝出现的形式
前期箱梁裂缝主要表现为箱梁顶板、翼板底面出现10多条横向裂缝,腹板从箱内上肋至下肋间通
长裂缝,集中在梁长的1/4中段内,宽度0.1～0.25mm ,部分呈现贯通状,施加预应力后大多会闭合。裂缝的开裂过程具有有序及对称性[1],结构开裂应力形式见图1
。
图1 结构开裂形式示意
当结构表面纵向应力σx max (t )超过其相应龄期的抗拉强度时,在中部出现第1条裂缝,结构表面分成2块,每块又有自己的水平应力分布,且图形完全
相似,但其最大值由于长度减少一半而减少,如果该值仍然超过抗拉强度,则形成第2条裂缝,每块再分成2块。如此持续下去直到中部最大水平应力小于或等于抗拉强度,裂缝稳定并不再增加。2.2 水泥水化热及蒸养的影响水泥在水化热的过程中要释放出大量的热量,并通过边界把部分热量向四周传递。在混凝土养护
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3东海大桥预制箱梁裂缝控制 刘德清,刘玲晶
2.3 外界气温变化的影响
预制场一年中四季温度不断变化,当外部环境或结构内部温度发生变化时,混凝土发生变形以至产生的内应力超过混凝土抗拉强度时即产生温差裂缝。主要因素有:①日照。箱梁顶板、侧面受太阳暴晒后,温度明显高于其它部位,温度梯度呈非线形分布。由于受到自身的约束作用,导致局部拉应力较大,出现裂缝。②骤然降温。受海洋气象影响,突遭大雨、大风侵袭可导致结构外表面温度突然下降,会大大增加外层混凝土与内部混凝土的温度梯度。各种温度叠加,往往造成内外温差加大,从而使混凝土开裂。
2.4 混凝土收缩变形的影响
在箱梁施工中,混凝土因收缩所引起的裂缝也较常见,塑性收缩和缩水收缩(干缩)是发生混凝土体积变形的主要原因。塑性收缩发生在施工过程中,当混凝土表面蒸发率超过泌水上升到表面的速率时出现。混凝土浇注后4～5h,此时水泥水化反应激烈,分子链逐渐形成,出现泌水和水分急剧蒸发,混凝土失水收缩。塑性收缩所产生量级很大,可达1%左右。塑性收缩发生在混凝土拌和后3～12 h以内,即在终凝前比较明显。因为这种凝缩发生时混凝土仍处于塑性状态,因此把这种凝缩称为塑性收缩。混凝土凝塑导致骨料受压、水泥胶结体受拉,故其既可使水泥石与骨料结合紧密,又可使水泥石产生裂缝。
缩水收缩在混凝土结硬以后,随着表层水分逐步蒸发,混凝土体积由升温期的膨胀逐步降低。因混凝土表层水分损失快、内部收缩小的不均匀收缩,表面收缩变形受到内部混凝土的约束,致使表面混凝土承受拉力。当表面混凝土承受拉力超过其抗拉强度时,便产生收缩裂缝。
2.5 其它因素的影响
在箱梁顶板浇筑过程中,因顶面面积较大,浇筑顶面控制收浆面层设置了几根纵向通长钢筋而出现沿钢筋方向的裂缝。该钢筋由于保护层厚度不足,受二氧化碳侵蚀碳化至钢筋表面,使钢筋周围混凝土碱度降低,或由于氯化物介入,钢筋周围氯离子含量较高,均可引起钢筋表面氧化膜破坏,钢筋中铁离子与侵入到混凝土中的氧气和水分发生锈蚀反应,其锈蚀物氢氧化铁体积比原来增长约2～4倍,从而对周围混凝土产生膨胀应力,导致保护层混凝土开裂、剥离。
箱梁混凝土体积较大,浇注采用横向分层,顺序为底板、腹板、顶板,箱梁浇筑时间过长(达12多小时),且两层面间浇筑间隔时间较长。受日光照晒和外界气温影响,浇筑后层混凝土时前层混凝土表面砂浆提前硬化,出现冷缝。
3 防治措施
3.1 温差及收缩影响的防治
根据分析,针对箱梁预制过程中出现的问题,为了防止裂缝的出现,施工中采取了一系列措施,重点改善对预制箱梁养护这一环节,取得了明显的效果。
首先采用蒸汽养护,蒸养不但可以使预制箱梁保温保湿、改善前期过大的内外温差和表面收缩,而且由于蒸养温度较高促使混凝土早期强度快速增长,其抗拉强度也随之增强。同样可以抵抗由内外温差和表面干缩引起的部分拉应力。蒸养工艺为:箱梁内设置1根蒸气管,顶板均匀布置3根蒸气管,两端供气,蒸气管离开混凝土40cm;蒸气分静养、供气升温、恒温蒸养和降温4个阶段,供气升温阶段按10℃/h升温,降温按5℃/h速度将蒸养温度降至环境温度。①冬季施工期:蒸养前,箱梁外模板喷涂4cm厚聚氨脂发泡模板保温材料,以有效阻止梁体热量散发。箱梁混凝土浇筑完毕后即在顶面加盖塑料膜顶棚,以保温保湿。混凝土浇筑结束后静养时间控制在6～8h之间,蒸养时间保证36h,恒温阶段保持在60℃以内。混凝土浇筑结束后30h开始松拆模板。②夏季施工期:蒸养恒温阶段保持在45～50℃,升温4h、恒温8h、降温12h,顶板蒸养维持近28h。
在恒温结束后拆卸内模板时,采用大功率鼓风机,通过箱口对流使箱梁内室吹风降温,顶棚继续覆盖、蒸养管保持供气以控制箱内外温差。量测监控
23世界桥梁 2005年第4期箱梁内外温度,把温差控制在20℃以内。加强对混凝土的后期养护,拆模后即对腹板喷涂养护剂,顶面覆盖土工布,及时洒水养护,时间不低于14d。
由于工程工期短,施工场地偏远,采用天然砂供应成本高。根据现场对母岩材质及机制砂生产设备调查,经试验后采取对海工高性能混凝土配合比的河砂用量中掺入30%机制砂等量替代河砂,并为克服在自然养护时因浇水不足或缺水引起的干缩裂缝,将箱梁顶板钢筋加密,由<14@200纵向筋改为<12@100。混凝土箱梁预应力张拉由一次张拉调整为二次张拉,在混凝土弹性模量达到2.72×105MPa 时进行第一次张拉(腹板束);弹性模量达到2.80×105MPa以上时进行第二次张拉(底板和内箱束)。3.2 其它因素影响的防治
在浇筑完成和收浆后,及时拆除控制面层钢筋。要防止钢筋锈蚀,采用足够的保护层厚度。在东海大桥周边沿海码头调查中证实,海洋环境中混凝土的碳化速度远远低于氯离子渗透速度,提高保护层厚度是提高海洋工程钢筋混凝土使用寿命最为直接、简单而且经济有效的方法。保护层垫块采用变形多面体形式,其材料的强度及抗透性均不低于高性能混凝土的技术标准。同时严格控制含氯盐的外加剂用量,控制混凝土的水灰比,高性能混凝土振捣时间宜延长,以保证混凝土的严密性,防止氧气侵入。
箱梁混凝土使用的海工高性能混凝土初凝时间实测为8h25min,因此应控制和缩短梁体的浇筑时间,增加混凝土输送泵,保证上层混凝土浇筑在下层混凝土初凝前进行,且浇筑时间尽量选择在温差较小的夜间。根据混凝土浇筑时的气温以及梁体不同的浇筑部位,在配合比允许范围内调整施工配合比和搅拌时间,以改善其工作性能。浇筑前在模板内洒水降温,为保证混凝土浇筑的连续性,浇筑前根据混凝土的工程量配备充足的原材料,并预备1台混凝土输送泵应急。
4 结 语
(1)东海大桥工程所处环境独特,涉及的抗侵蚀问题较广,通过施工措施摸索,对箱梁裂缝进行了有效的控制,对桥梁结构及工程的顺利进行提供了可靠的保证。如条件允许,采用蒸汽养生是防止混凝土早期裂缝的好方法,但蒸养具体工艺应根据气候、气温及有关自然条件而变化,不应采取统一模式。
(2)通过有效地控制箱梁裂缝可以看出控制大型混凝土结构的早期裂缝,抓好养护这一工序十分关键。只要认真分析裂缝原因,采取得力措施即可有效地控制裂缝。
(3)对高性能混凝土在采取蒸养后,为了继续保持混凝土的温度场的稳定和结构表面的温度,采取一些保温和保湿措施还是非常必要的,对预防早期裂缝将起到明显的作用。
参 考 文 献:
[1]程宝辉.整体浇筑长大混凝土结构养护期间早期开裂问
题探讨[J].桥梁建设,2004,(3):69-72.
Control of Cracks in Precast Concrete
Box G irders of Donghai B ridge
L IU De2qing1,L IU Ling2j ing2
(1.Bridge Science Research Institute Ltd.,China Zhongtie Major Bridge Engineering
Group,Wuhan430034,China;2.Institute of Civil Engineering and Architecture,
Wuhan University of Science and Technology,Wuhan430070,China)
Abstract:Wit h reference to t he const ruction practice of p recast concrete box girders of Dong2 hai Bridge,t his paper analyzes t he causes of formation of cracks in t he box girders at const ruction site,and also p rovides t he relevant cont rol measures and successf ul experiences for p reventing t he cracks f rom occurring.
K ey w ords:box girder;p recast segment;crack;cause of formation;cont rol measure 33
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