大体积钢筋砼连续梁裂纹控制技术.doc

大体积钢筋砼连续梁施工裂纹控制技术
中铁五局集团一公司 李洪舟 李家旺
摘 要：本文系统分析了施工裂纹产生的原因，从大体积钢筋砼连续梁实际施工出发，
以实例阐述了与之相对应的施工技术控制措施，可供参考借鉴。
关键词：连续梁 施工裂纹 技术控制

1、 前言
桥梁建设中大体积钢筋混凝土连续梁是较为常见的一种梁型，钢筋混凝土连续梁桥虽然在力学性能上优于简支梁和悬臂梁，适用于更多跨径的桥型方案，但是由于使用的混凝土本身是多种材料组成的一种混合体，且结构为无预应力体系，从设计、施工、运营方面来看均存在出现结构裂纹情况，从而影响使用年限。目前我国在设计上对混凝土裂纹有一定范围规定，在施工验收规范和工程施工中都是不允许混凝土结构出现有明显裂纹的。为此，如何有效控制施工裂纹的产生是施工人员碰到的一个难题。本文通过对施工裂纹产生原因的分析，结合伊通河特大桥崔家营子道岔区连续梁施工，具体从各施工工序着手，阐述探讨施工裂纹控制的技术措施。
2、 施工裂纹产生原因分析
2.1地基基础沉降差异产生的裂纹
支架的地基不均匀沉降引起现浇箱梁的早期裂纹。
2.2支架系统变形产生的裂缝
由于支撑立杆不均匀分布，各部分刚度分布不一致，使其杆件的弹性变形不均匀，导致早期裂缝。
2.3混凝土收缩引起的裂纹
在实际工程中，混凝土因收缩所引起的裂缝是最常见的。在混凝土收缩种类中，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。混凝土收缩裂缝的特点是大部分属表面裂缝，裂缝宽度较细，且纵横交错，成龟裂状，形状没有规律。
2.3温度变化引起的裂纹
混凝土具有热胀冷缩性质，当外部环境或结构内部温度发生变化，混凝土将发生变形，若变形遭到约束，则在结构内将产生应力，当应力超过混凝土抗拉强度时即产生温度裂缝。
2.4混凝土施工工艺质量引起的裂纹
在混凝土结构施工过程中，若施工工艺不合理、施工质量控制不严，容易产生多向的、水平的、表面的、深进的和贯穿的各种裂缝，特别是细长薄壁结构更容易出现。裂缝出现的部位和走向、裂缝宽度因产生的原因而异，比较典型常见的有
(1) 混凝土主要由水泥、砂、骨料、拌和水及外加剂组成。配置混凝土所采用材料质量不合格，可能导致结构出现裂纹。
(2) 混凝土保护层过厚，或乱踩已绑扎的上层钢筋，使承受负弯矩的受力筋保护层加厚，导致构件的有效高度减小，形成与受力钢筋垂直方向的裂缝。
   (3) 混凝土振捣不密实、不均匀，出现蜂窝、麻面、空洞，导致钢筋锈蚀或其它荷载裂缝的起源点。
   (4) 混凝土浇筑过快，混凝土流动性较低，在硬化前因混凝土沉实不足，硬化后沉实过大，容易在浇筑数小时后发生裂缝，即塑性收缩裂缝。
   (5) 混凝土搅拌、运输时间过长，使水分蒸发过多，引起混凝土塌落度过低，使得在混凝土体积上出现不规则的收缩裂缝。
   (6) 用泵送混凝土施工时，为保证混凝土的流动性，增加水和水泥用量，或因其它原因加大了水灰比，导致混凝土凝结硬化时收缩量增加，使得混凝土体积上出现不规则裂缝。
   (7) 混凝土分层或分段浇筑时，接头部位处理不好，易在新旧混凝土和施工缝之间出现裂缝。如混凝土分层浇筑时，后浇混凝土因停电、下雨等原因未能在前浇混凝土初凝前浇筑，引起层面之间的水平裂缝；采用分段现浇时，先浇混凝土接触面凿毛、清洗不好，新旧混凝土之间粘结力小，或后浇混凝土养护不到位，导致混凝土收缩而引起裂缝。
3、 施工技术控制措施
3.1工程概况
哈大客运专线伊通河特大桥崔家营子道岔区连续梁为钢筋砼实体连续箱梁，共三联：第一联和第二联孔跨布置为(18.98+2×20+18.98)m双幅连续梁，第一、第二联左幅桥梁顶采用等宽1580cm，第一联右幅桥梁顶宽由1350cm渐变至1175cm，第二联右幅桥梁项宽由1175cm渐变至1010cm；第三联孔跨布置为(14.05+9×20+14.05)m单幅连续梁，梁顶宽由2020cm渐变至1340cm。连续梁跨中梁高135cm，支座附近梁高205cm。单侧悬臂长170cm，悬臂端部厚20cm,悬臂根部厚40cm，采用C40混凝土，共10590m3。第一、二联采用满堂支架，第三联采用桩基础钢管柱支架法施工。

3.2工程特点
3.2.1 无预应力体系、多跨度，每联连续梁跨度均达到或超过5跨。梁体钢筋布置密度大，抗拉通长主筋采用对焊施工，难度大。
3.2.2现浇混凝土数量大，单联混凝土最少为1160m3，第三联混凝土为4558m3，对支架强度、刚度要求高；混凝土浇注面积大，浇注时间长，质量控制和施工组织有一定难度。
3.2.3地处北方干燥地区，对混凝土配合比及养护要求高。
3.3支架设计与施工
3.3.1支架布置型式
桩基础钢管柱支架结构受力方式：模板—方木—碗扣架—HN型钢纵梁—HN型钢横梁—钢管立柱—桩基础，如图2所示。满堂支架为架管直接作用于地基上，在此不再标示。
3.3.2主要受力分析
由于梁体为实体截面，支架结构全部均匀布置，对支架受力分配较为有利。从受力分析来看，支架结构变量最大部位为上部纵梁，考虑材料规格及整体受力分布对结构的影响，每孔连续梁将支架结构上纵梁按两孔简支梁布置，每根上纵梁按8.8m计算。
H446窄翼型钢的几何材料参数为：E=210Gpa，I=2.87×10-4m4，A=0.0084m2；

型钢均布力：
q1=((35.78+0.14+0.26+0.13+0.06)*0.6*1.2+ (3+1) *0.6*1.4=29.5KN/m
q2=((35.78+54.33)/2+0.14+0.26+0.13+0.06)*0.6*1.2+ (3+1) *0.6*1.4=36.2KN/m
RA=110KN RB=168.8KN
最大弯矩在距RA点3.72m处：M=0.5×q1×RA2=205KNm
最大挠度：(负号表方向向下)
Fc=（1/6RA*3.723-1/24q1*3.724-508*3.72）/EI =-18mm<[f]=19mm
最大拉应力：σ=M/W=My/I =159.3Mpa<［σW］=188.3Mpa
故，上纵梁变形及最大变量位置应作为施工中控制的理论基础。
3.3.2支架结构施工
支架结构施工主要是必须保证支撑杆件按设计要求均匀分布，保持各部分刚度分布一致，避免杆件的弹性变形不均匀，为此，施工中采取以下几点控制措施
（1）桩基础钢板预埋件严格控制标高，所有预埋钢板平面控制在同一平面内，钢管柱顶部标高
应严格控制，钢管柱顶面及混凝土顶面应在同一平面内，确保受力均匀。
（2）孔桩基础、钢管柱、横梁型钢、分配梁位置根据CAD软件模拟施工环境绘制的设计图进行
准确放样后搭设。搭设过程采用仪器控制垂直度、平整度、标高等重要指标。
（3）保证杆件之间连接紧密，避免出现偏心受压情况。
3.3.2支架预压及预拱度设置
根据梁体截面特点对支架结构进行预压，消除非弹性变形对梁体的影响。预压时精心设置沉降变形观测点，从三个方面予以考虑，一是以纵横梁计算时的变量特征点为关键，并考虑线性分配原则进行布置；二是观测地基沉降、三是考虑结构位移情况。
预压完成后根据测定弹性变形值和计算值比较分析，结合梁体成型后自重及二期恒载、静活载一半产生的竖向挠度值（设计院提供）确定底模的预拱度设置。特别需注意梁体浇注施工时应对支架结构沉降进行观测，根据观测数据值分析来修正预拱度的设置。
3.4地基处理
3.4.1地基换填处理
满堂支架法施工时，需做地基处理。由于道岔区表层土为软土层，施工时采用换填建筑砾料处理地基。清除浅表层土后，用轻型触探法测量承载力，检查分析下卧土层结构状态是否一致。换填后采用重型压路机碾并用重力触探法测量承载力，保证地基承载力满足要求。铺设C15混凝土层有效分散荷载集中并防止地基受雨水侵袭。
3.4.2桩基础施工
孔桩基础设计按摩擦桩考虑
［P］=UΣfili+A[σ]≥1100KN（单根钢管柱计算荷载）
式中：U—极限摩阻力，根据设计资料，0~5m范围内取30KN/m2，5m以下取50KN/m2 ；
fi—桩的侧面积（m2）；
li—桩长（m）；
桩底面积（m2）；
[σ]—桩底承载力，取200KPa。
30*5*3.14+50*3.14*（li－5）+200*0.785≥1100
li≥(1100-0.785*200-30*5*3.14)/(50*3.14)+5=8m
实际取值li=10m,安全系数n=10/8=1.25
满足要求。
3.5混凝土施工工艺控制
（1）控制骨料级配和含泥量，砂、石的含泥量超过规定，不仅降低混凝土的强度和抗渗性，还会使混凝土干燥时产生不规则的网状裂纹。
（2）使用减水剂，降低水灰比，可以改善水泥浆的稠度，减少混凝土泌水，减少沉缩变形。提高水泥浆与骨料的粘结力，提高的混凝土抗裂性能。
（3）混凝土中掺加粉煤灰降低水泥用量，减少水化热，并降低砼温升，从而可以降低砼所受的拉应力。
（4）严格定位钢筋，保证钢筋的保护层厚度，避免保护层过小或过大引起沿钢筋纵向或竖方向的裂缝
（5）混凝土泵送施工时采用“分段定点，一个坡度，薄层浇筑，循序推进，一次到顶”的方法。混凝土专人划分片区捣固，确保混凝土振捣密实、均匀。
（6）现场安排专职试验员跟踪监控混凝土质量，及时调整混凝土塌落度，控制水灰比。
3.6温度裂纹控制措施
　 为了防止裂缝，减轻温度应力可以从控制温度和改善约束条件两个方面着手。控制温度的措施如下：
    （1）严格控制混凝土出机温度，降低入模温度。根据热工计算及设计要求，对混凝土搅拌、运输、浇筑所需温度进行计算，分析对比原材料理论温度与实际温度，并采取相应的处理措施。夏季施工时对浇筑前的砂石用冷水降温。在搅拌过程中向混凝土中添加冰水，可以有效的降低混凝土的入模温度。浇筑混凝土时减少浇筑厚度，利用浇筑层面散热，有利于加快混凝土内部的热量散发。
（2）规定合理的拆模时间，当混凝土温度高于气温时应适当考虑拆模时间，以免引起混凝土表面的早期裂缝。新浇筑早期拆模，在表面引起很大的拉应力，出现“温度冲击”现象。在混凝土浇筑初期，由于水化热的散发，表面引起相当大的拉应力，此时表面温度亦较气温为高，此时拆除模板，表面温度骤降，必然引起温度梯度，从而在表面附加一拉应力，与水化热应力迭加，再加上混凝土干缩，表面的拉应力达到很大的数值，就有导致裂缝的危险。
（3）加强测温工作，及时掌握混凝土内部温升与表面温度的变化值，浇注混凝土前埋设测温管。混凝土浇注完毕后每天按4h一次测温，直到内部温度稳定为止。按规范中大体积混凝土内芯部温度最高不超过65℃的原则，根据实测温度情况采取相关措施。
3.7混凝土收缩裂纹控制措施
混凝土收缩裂纹主要影响因素体现在混凝土表面的处理上。为此，一是及时对新浇注混凝土采取抹面、磨光处理，同时注意抹面时造成的表面渗水，过度镘抹或过早镘抹均会使水灰比增加，造成脆弱面层收缩可能性增大。二是抹面处理后立即着手养护，主要目的在于保持适宜的温湿条件，也使水泥水化作用顺利进行，以期达到设计的强度和抗裂能力。对于东北干燥地区，必须及时补充水分，保持混凝土表面湿润。
4、 结语
认真分析施工裂纹产生原理，结合相应预防处理措施贯穿于施工全过程，实践应用结果表明施工裂纹控制效果良好。

参考文献
[1]《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）[S]
[2]《路桥施工计算手册》人民交通出版社2001.10
[3] 石永莉，苏芳利等.高性能混凝土的早期收缩开裂及裂缝控制[J],建筑与施工，2006.