连续刚构桥0#段开裂分析及处理

摘要：连续刚构桥以桥下净空大、视野开阔、景观效果好、.混凝土用量少等特点受到了人们的青睐。但在连续刚构桥0#施工中仍存在诸多问题，如0#段梁体多或少地产生裂缝问题就显得尤为突出。本文通过对施工过程中的特大桥0#段梁体开裂的原因、开裂后结构的受力情况进行分析，提出处理方法。

关键词：高速公路；连续刚构；0#段；开裂；处理方法

中图分类号： U412.36+6 文献标识码： A

前 言:预应力混凝土连续箱梁因其外观简洁优美，行车速度高，维护费用低，噪音小，设计跨度大，整体性能强，抗弯抗扭刚度大等优点，被越来越多的桥梁设计所采纳。但在桥梁建设和使用中，0#段梁体或多或少地产生裂缝，对其美观及自身质量都有一定的影响。现通过对施工过程中的特大桥0#段梁体开裂的原因、开裂后结构的受力情况进行分析，提出处理方法。

工程实例

2.1设计概况

某高速公路特大桥主桥24～27#墩上部结构为55+100+55m三向预应力连续刚构，位于曲线半径为R=900m圆曲线上，梁顶横坡4%，纵坡2.5%，采用挂篮悬臂浇筑工艺施工。箱梁采用单箱单室直腹板断面，箱梁顶板宽10.625m，底板宽6m，翼缘板悬臂长度2.3125m。箱梁0#段根部中心梁高6.12m，跨中及边跨合龙段、边跨现浇段梁高2.62m，其余梁底下缘按1.75次抛物线变化。下部结构基础设计为群桩基础+整体式承台结构；墩柱为空心薄壁墩，最大墩高88.2m，墩柱下半部设计整体箱型断面，上半部分变化为双肢结构，墩顶设置2m厚实心段。

图1连续刚构箱梁0#段一般构造图

0#段长12m，宽10.625m，根部中心梁高6.12m；底板厚度为1.0m，梁端处厚度为0.684m；0#段腹板厚度为1.0m，端部厚度为0.6m；顶板厚0.8m，线性变化至梁端位置厚0.3m。0#段箱室内对应墩壁处共设置4道横隔板，板厚0.6m，横隔板上均设有1.4m×1.5m方形人洞。箱梁设计采用C50混凝土，0#段浇筑后按设计需张拉2束T0纵向钢束。

2.2施工情况

2.2.1主要施工方案

根据0#段设计图，结合现场实际情况， 0#段均采用托架现浇方案施工。托架具体施工方案为在墩顶预埋纵向通长I45a工字钢作为主梁，主梁上铺设横向I20a工字钢作分配梁，分配梁上铺设竹胶板底模系统。外模板采用大块整体钢模，内模采用组合钢模。C50混凝土用砂为机制砂，混凝土采用全自动拌和站集中生产，采用高压泵送浇筑入模，插入式捣固器振捣。托架施工方案详见下图3。

图3托架施工方案图

2.2.2混凝土设计配合比

根据水泥、砂石等混凝土原材料实际情况和混凝土泵送施工需要，并通过试验确定主桥箱梁C50混凝土设计配合比为水泥：砂：小碎石：大碎石：减水剂：水=500:806:197:787:6：160。水泥用量500kg/m³，水胶比0.32，砂率0.45，坍落度200-220mm。本配合比于2012年3月20日审批完成。

2.2.3方案实施过程

单个0#段混凝土方量为294m³，主桥25、26#墩两个主墩0#段按一次浇筑成型的方法进行施工。

已浇筑的0#段混凝土采用全自动搅拌站集中生产，混凝土搅拌罐车运抵现场，高压输送泵泵送入模，根据环境气温需要，坍落度控制在18-22cm之间，环境温度介于18-25℃之间。混凝土运抵现场后，根据施工方案要求，自0#段下坡端向上坡端对称分层进行浇筑，先浇筑底板（62m³），后浇筑腹板(148m³)，最后浇筑顶板混凝土（84m³）。根据已浇筑的0#段施工数据统计，已施工的0#段混凝土浇筑速度介于12-15m³/h之间，整个浇筑过程无异常情况发生。

混凝土浇筑完成后，按照规范及施工方案要求在箱梁顶面覆盖土工布洒水养生。根据现场对已浇筑的0#段温度监控数据显示，混凝土在0#段浇筑完成后约60小时左右，混凝土内部核心最高温度为74℃，此刻混凝土表面温度为48℃，120小时后混凝土内部核心最高温度降至38℃，此刻表面温度为25℃。

混凝土浇筑达到一定龄期条件后，通过同条件养护试件试验和钻芯取样，判定混凝土强度等级满足设计的强度等级要求。0#段施工情况统计见下表（表1）。

表1箱梁0#段施工情况统计表

箱梁0#段裂纹

3.1裂纹情况

根据当时环境气温状况，2个已浇筑的0#段侧模拆除时间为混凝土浇筑后3-5天，拆模后即发现0#段混凝土存在不同程度的开裂现象。

图3 左幅25号墩0号段箱内左腹板裂缝分布示意图

0#段裂纹大部分集中在腹板内外侧位置，主要为竖向裂纹，其中腹板外侧裂纹主要分布在墩顶正上方，腹板内侧裂纹主要集中在中间大箱室侧壁。0#段左右侧腹板裂缝基本呈对称分布，且两个0#段裂纹发生和存在形态基本类似。有关裂纹分布位置、数量、深度、宽度等详细情况见表2、表3及图3至图6。

表2左幅25号墩0号段箱内左侧腹板裂缝宽度和深度值

表3左幅25号墩0号段箱内左侧腹裂缝宽度和深度值

3.2裂纹分析

连续刚构桥的受力性能空间实体有限元分析模型非常复杂，混凝土单元和预应力钢筋单元数量庞大，当前计算机技术无法输出应力包络云图，数据分析量巨大，为抓住各工况受力性能的重点，对结果进行比对分析后，确定用于分析的数据输出包括以下几方面内容：

（1）短暂状况和持久状况混凝土空间应力分布云图；

（4）持久状况左侧腹板中部主应力纵向分布图及数据表格；

（6）持久状况0#块空间应力分布云图；

根据《04公桥规》，短暂状况应力数据输出为混凝土正应力，持久状况应力数据输出包括混凝土正应力和主应力。上部结构施工节段划分见图4-1，应力纵向分布图和数据表格的横截面上位置示意见图4-2，左侧腹板上缘顶板输出点为图中点1，下缘底板输出点为点2，腹板中部输出点为点3。

结构整体坐标系见图4-1。所有应力数据单位为MPa，拉为正，压为负。

图7上部结构施工节段划分

图8应力纵向分布图和数据表格的横截面上位置

3主要分析结果汇总

3.2.10#块施工完成后

1．未开裂模型的受力情况

从全结构空间正应力分布云图来看，顶板预应力传递路径良好；压应力水平在-0.12MPa至-1.38MPa 的区域占到了51% ，主要位于顶板及0#块中部腹板；顶板未出现拉应力，底板、腹板及横隔板未出现大于0.352MPa的拉应力。 满足短暂状况应力验算规范要求。

2．部分阶段开裂和永久带裂缝模型的受力情况

从全结构空间正应力分布云图来看，25 号墩顶压应力水平在-0.12MPa~-1.38MPa 的区域占到47.5% ，主要位于顶板及裂缝上缘腹板，压应力比未开裂模型集中；顶板未出现拉应力，底板、腹板及横隔板未出现大于0.35MPa 的拉应力。

3．两种结构模型受力情况比较

在自重和预应力作用下，未开裂模型的顶板预应力传递路径良好，拉应力不超过0.352MPa，应力满足规范要求；带裂缝模型的预应力传递路径受到腹板裂缝的影响，压应力不能通过腹板有效传递，顶板压应力水平高于未开裂模型，且更为集中。

结论：未开裂模型顶板的预应力传递路径良好，满足短暂状况应力验算规范要求。带裂缝模型的预应力传递路径受到腹板裂缝的影响，压应力不能通过腹板有效传递，顶板压应力水平高于未开裂模型，且更为集中，顶板未出现拉应力，底板、腹板及横隔板未出现大于0.35Mpa的拉应力。

3.2.2在最大双悬臂状态

上部结构施工过程中最大双悬臂状态的混凝土正应力分布云图见图13，混凝土顶底板正应力分布图见图14。

1．未开裂模型的受力情况

从全结构空间正应力分布云图来看，压应力范围在-4.7MPa~-10.48MPa 的区域占到了70% ，主要位于 0~7 号段；压应力范围在-10.48MPa~-11.93MPa 的区域占到2.3%，主要位于 1 号梁段顶板；而压应力范围小于-4.7MPa 的区域占到27.3% ，主要位于8~12号段；最大拉应力为1MPa，为预应力筋锚下局部拉应力。 从顶底板混凝土正应力分布来看，顶板正应力分布范围为-0.96MPa~-11.03MPa ，全部受压，最大压应力位于 1 号梁段外缘顶板，平均正应力水平为-5.8MPa ；底板正应力分布范围为0.04MPa~-8.53MPa最大压应力位于 1号梁段外缘底板，平均正应力水平为-5.28MPa 。应力满足短暂状况应力验算规范要求。

a未开裂模型

b部分阶段开裂模型 c永久带开裂模型

图13混凝土正应力分布云图

2．部分阶段开裂模型的受力情况

全结构空间正应力分布云图情况及顶底板混凝土正应力分布情况与未开裂模型几乎一致。

3．永久带裂缝模型的受力情况

除裂缝主要影响区域，全结构空间正应力分布云图情况及顶底板混凝土正应力分布情况与未开裂模型几乎一致。

4．三种模型受力情况比较

从顶底板混凝土正应力数据比较来看，部分阶段开裂模型和永久带裂缝模型的顶板和底板正应力最大值、最小值、平均值以及对应位置均与未开裂模型一致；部分阶段开裂模型的墩顶0#块顶底板正应力与未开裂模型一致；永久带裂缝模型的墩顶0#块顶板正应力（-8.13MPa ）比未开裂模型（-7.99MPa ）提高1.66% ，墩顶0#块底板正应力（-7.56MPa ）比未开裂模型（-7.02MPa ）提高7.68% ，且结构其他位置与未开裂模型一致。 裂缝的存在对该施工阶段全结构的整体空间受力性能影响非常有限，仅对墩顶0#块局部区域产生最大7.68% （-0.52MPa ）的底板正应力提高。若及时对0#块裂缝进行有效修补，修补后该施工阶段结构整体受力与未开裂结构基本一致。

a未开裂模型 b部分阶段开裂模型 c永久带开裂模型

图14顶底板混凝土正应力分布图

结论：未开裂模型顶板正应力的分布范围为-0.96Mpa~-11.03Mpa，全部受压，最大压应力位于1号梁段外缘顶板，平均正应力水平为-5.8Mpa；底板正应力分布范围为0.04Mpa至-8.53Mpa，最大压应力位于1号梁段外缘底板，平均正应力水平为-5.28Mpa。满足短暂状况应力验算规范要求。

部分阶段开裂模型和永久带裂缝模型的顶板和底板正应力最大值、最小值、平均值以及对应位置均与未开裂模型一致；部分阶段开裂模型的墩顶0#块顶底板正应力与未开裂模型一致；永久带裂缝时，虽对该施工阶段结构整体受力性能影响有限，但在墩顶0#块底板局部区域产生最大7.68%的正应力提高。

3.2.3在最大双悬臂状态成桥后期永久作用状态

成桥后期永久作用状态即考虑成桥10年后的永久作用阶段，成桥后期混凝土正应力分布云图见图15，混凝土顶底板正应力分布图见图16。

a未开裂模型

b部分阶段开裂模型 c永久带开裂模型

图15混凝土正应力分布云图

1．未开裂模型的受力情况

从空间正应力分布云图来看，压应力范围在-3.74MPa~-10.03MPa 的区域占到80.5% ；压应力范围在-10.03MPa~-11.6MPa 的区域占到5%，主要位于 1#梁段顶板；而压应力范围小于-3.74MPa 的区域占到13.5% ，主要位于边墩顶 16#梁段；最大拉应力预应力筋锚下局部拉应力集中现象。

混凝土顶板正应力分布范围为-0.35MPa~-11.64MPa ，不出现拉应力，最大压应力位于1 号梁段外缘顶板，平均正应力水平为-7.3MPa ；底板正应力分布范围为-0.57MPa至-11.47MPa ，不出现拉应力，最大压应力位于 9 号块外缘底板，平均正应力水平为-7.25MPa 。

成桥后期恒载作用下主梁应力满足规范要求。

2．部分阶段开裂模型的受力情况

正应力分布云图及顶底板混凝土正应力分布情况与未开裂模型基本一致。

3．永久带裂缝模型的受力情况

除裂缝影响的0#块局部区域受力，结构空间正应力分布云图及顶底板混凝土正应力分布情况与未开裂模型差异较小。

4．三种模型受力情况比较

从顶底板混凝土正应力数据比较来看，部分阶段开裂模型和永久带裂缝模型的顶板和底板正应力与未开裂模型基本一致；除了永久带裂缝模型的墩顶0#块顶板正应力（-8.11MPa ）比未开裂模型（-7.98MPa ）提高1.58% ，墩顶0#块底板正应力（-6.56MPa ）比未开裂模型（-6.03MPa ）提高 8.77% ，且结构其他位置与未开裂模型一致。

成桥后期结构的整体空间受力性能受0#块裂缝影响较小，仅在墩顶 0#块局部区域产生最大8.77% （-0.53MPa ）的底板正应力提高； 0#块裂缝修补后成桥后期的结构整体受力与未开裂结构基本一致。

a未开裂模型

b部分阶段开裂模型 c永久带开裂模型

图16顶底板混凝土正应力分布图

结论：未开裂模型顶板正应力分布范围为-0.35Mpa~-11.64Mpa，不出现拉应力，最大压应力位于1号梁段外缘顶板，平均正应力水平为-7.3Mpa；底板正应力分布范围为-0.57Mpa至-11.47Mpa，不出现拉应力，最大压应力位于9号块外缘底板，平均正应力水平为-7.25Mpa。满足成桥阶段恒载作用下规范要求。部分阶段开裂模型和永久带裂缝模型的顶板和底板正应力最大值、最小值、平均值以及对应位置均与未开裂模型一致；部分阶段开裂模型的墩顶0#块顶底板正应力与未开裂模型一致；永久带裂缝时，虽对该工况结构整体受力性能影响有限，但在局部墩顶0#块底板区域产生最大8.77%的正应力提高。

成桥后期混凝土顶板横向正应力在0#块、1号梁段和9~14号块的腹板间顶板出现0.64Mpa至1.82Mpa的拉应力，区域范围为顶板的4.8%。成桥后期永久作用下主梁横向正应力满足规范预应力混凝土A类构件要求。0#块腹板裂缝对顶板混凝土横向正应力的影响很小。

3.3分析总结

通过对未开裂模型、部分阶段开裂模型和永久带裂缝结构的分析比对，得出以下结论：

（1）未开裂结构（原设计）在短暂状况的应力、持久状况正常使用极限状态的抗裂性及持久状况的应力均满足规范要求；

（2）部分阶段开裂结构在持久状况的应力分布、顶底板混凝土应力分布等应力分布与未开裂模型几乎一致；

（3）部分阶段开裂结构在0#块施工完成后，预应力传递路径受到腹板裂缝的影响，压应力不能通过腹板有效传递，顶板压应力水平高于未开裂模型，且更为集中；2个月后若对裂缝进行有效修补，在其后的施工阶段和持久状况下腹板受力及传力性能良好，0#块应力分布与未开裂模型差异较小；

（4）永久带裂缝结构中裂缝的持续存在对结构整体受力性能有一定影响，在墩顶0#块局部区域产生不大于10%的应力提高；未闭合裂缝对腹板传力影响纵向范围在裂缝高度的一半左右；

综上所述，若及时对0#块裂缝进行按结构受力要求的有效修补，修补后的结构整体受力性能与未开裂结构基本一致，并能满足规范要求。

裂纹处理及预防措施

基于0#块裂缝对桥梁结构受力性能影响的程度，对后期结构施工和裂缝修补给出如下建议：

（1）采用可靠的胶结材料对裂缝进行灌注处理，恢复开裂部位混凝土的抗拉强度且不低于原设计要求；对裂缝附近区域混凝土表面进行处理，确保结构耐久性不低于原设计要求。

（2）加强对已修补裂缝的观测，确保修补的有效可靠。

（3）控制分次浇筑混凝土的时间差，减小新老混凝土之间的约束效应。

（4）严格按照设计文件或施工规范的要求安排合理的施工顺序，尽量避免各工序之间的相互干扰对施工质量的影响。

（5）选择优良的材料针对性地完善混凝土配合比设计，严格控制水泥用量和水胶比，控制混凝土水化热的不利影响，加强养护保证混凝土的强度，减小混凝土的早期收缩与徐变。优化后的配合比见表3；

表3C50配合比优化前后对照表

处理过程及结果

4.1裂纹处理

经过项目部研究决定选用亨斯迈先进化工材料有限公司生产的爱牢达AralditeXH180A/B产品对已浇筑成型的两个0#段产生的裂纹进行灌注加固。

4.2未浇筑0#段的预防措施

通过对已浇筑的两上0#段所产生的裂纹进行分析总结，项目部优化了施工配合比，从而控制混凝土水化热的不利影响；采取了分层浇筑的施工方案，并严格控制分次浇筑混凝土的时间差，从而减小新老混凝土之间的约束效应。特大桥后浇筑的两个0#段无裂纹产生。

结语

通过对特大桥两个0#段所产生的裂纹进行分析、总结、处理，发现严格控制水泥用量和水胶比，控制混凝土水化热的不利影响，加强养护保证混凝土的强度，减小混凝土的早期收缩与徐变是减少连续刚构0#段裂纹产生的原因之一。在连续刚构0#段产生裂纹后，因及时对结构物的力学情况进行分析，若对0#块裂缝进行按结构受力要求的有效修补，修补后的结构整体受力性能与未开裂结构基本一致，则应该及时进行修补，从而减少不必要的损失。

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