混凝土桥梁裂缝病害成因分析及防控措施85页（PPT）

1、混凝土箱形结构施工期开裂分析及其技术对策 主要内容二混凝土桥梁施工期裂缝成因及其控制三小结一概述一一概述一在100300m跨径范围内，预应力混凝土连续梁桥和预应力混凝土连续刚构桥是两种极具竞争力的桥型。特别是山区高速公路建设中，高墩大跨预应力混凝土连续刚构桥得到广泛的应用。大跨预应力梁桥的病害目前大跨预应力混凝土梁式桥特别是大跨预应力混凝土连续刚构桥中普遍存在的病害是：跨中下挠；箱梁开裂。据统计，跨径80100m以下的梁桥，病害较少；跨径100160m的梁桥，病害较多；跨径160m以上的梁桥，病害严重。黄石长江公路大桥（连续刚构） 162.5+3x245+162.5 m大跨预应力混凝土梁式桥特

2、别是大跨预应力混凝土连续刚构桥的跨中下挠过大是一个较为普遍的现象。黄石长江公路大桥跨中下挠最大已达33.5cm。跨中下挠一般均与梁上裂缝伴随出现，开裂加剧下挠、下挠加速裂缝发展。根据已发表的资料，虎门大桥辅航道桥跨中下挠，最大已达到22cm，与此同时跨中存在一些横向裂缝，及主拉应力斜裂缝。此下挠值已远远超过原设计预留值10cm。最近由于横向裂缝朝腹板发展，下挠值又增大到26cm。 钢筋混凝土薄壁高墩和大跨预应力混凝土盖梁结构中最重要的病害表现是结构混凝土上普遍出现众多可见有害裂缝。 钢筋混凝土箱型薄壁墩、大跨预应力混凝土盖梁和大跨连续箱梁桥上部结构箱梁施工和营运期间的普遍开裂，会严重影响工程质

3、量和进度，已成为我国桥梁建设迫切需要解决而又尚未解决的关键技术问题。湖南怀通高速沿线多处于山区，地质、地形条件复杂，沿线高墩、大跨的桥梁众多。对于高墩、大跨的预应力混凝土梁式桥，其高墩一般均采用箱形薄壁墩、主梁一般均采用预应力混凝土薄壁箱梁，下部结构有可能采用大跨预应力混凝土盖梁。 怀通高速沿线桥特点怀通高速沿线桥梁的主要特点：钢筋混凝土箱形薄壁高墩的普遍采用。怀通高速沿线桥梁采用钢筋混凝土箱型薄壁高墩的桥梁多达17座；下部结构采用了大跨预应力混凝土盖梁。如宝照溪大桥采用的大跨预应力混凝土盖梁，其跨径为26m+13 m；大跨预应力高强混凝土多室宽箱梁的使用。如沿线的江市特大桥主桥，左幅为一般高

4、速公路桥梁很少使用的单箱双室箱梁，顶宽达21.5m。 施工面临的难题：钢筋混凝土箱形薄壁高墩的开裂问题大跨预应力混凝土盖梁的开裂问题大跨预应力高强混凝土多室宽箱梁的开裂问题某桥薄壁墩施工期裂缝某桥盖梁施工期裂缝某190m主跨连续刚构桥施工期箱梁腹板裂缝二混凝土桥梁施工期裂缝成因及其控制一般非荷载裂缝占80左右，荷载裂缝占20左右。混凝土结构中存在拉应力是产生裂缝的必要条件；结构中主拉应力达到混凝土的抗拉强度时，并不立即产生裂缝，而是当拉应变达到极限拉应变时才出现裂缝；混凝土的极限拉应变一般为150me左右。混凝土的强度并非越高越好。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。混凝土

5、的强度小于其组成材料的强度。裂缝成因分析： 材料原因水泥异常凝结引起的裂缝受风化的水泥，其品质很不安定；混凝土浇筑后达到一定强度前，在凝结硬化阶段会产生如图所示的短小的不规则裂缝；随着水泥品质的改善，这种裂缝目前较少见到。水泥品质 非荷载裂缝骨料方面碱骨料反应引起的裂缝骨料中泥份引起的裂缝选材原则：水泥的品质应符合规范要求；优选质量稳定且C3A含量、碱含量低的水泥；优选含碱量较低的骨料；控制骨料的含泥量。原材料的质量控制混凝土下沉和泌水 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也会产生裂缝。 施工原因浇筑工艺(a) 材料混合不均匀(

6、b) 长时间搅拌(c) 快速浇筑(d) 先后浇筑时差过长应按照规范规定保证混凝土拌合物的均匀性；混凝土搅拌和运输时间不宜过长；浇筑速度不宜过快；混凝土应按照规范要求分层，按一定方向和厚度浇筑；应在下层混凝土初凝之前浇注完成上层的混凝土。 混凝土浇筑工艺(a) 模板变形(b) 支撑下沉(c) 支撑下沉模板工程不均匀沉降产生裂缝尽量采用钢模；保证模板和支架的刚度和强度；支架体系应按照规范要求试压；支架地基应进行严格的地基处理。模板工程质量控制 箱梁细部尺寸接近大体积混凝土公路桥涵施工技术规范(JTJ 041-2000)规定：大体积混凝土为最小边尺寸在13m范围内的混凝土；日本建筑学会标准(JASS

7、5)认为：“结构断面最小尺寸在80cm以上；水化热引起混凝土内的最高温度与外界气温之差，预计超过25的混凝土，称为大体积混凝土。” 混凝土的水化热 箱梁水化热不容忽视美国公路桥梁设计规范第5.14.2.3.5条规定: 应考虑可能在桥梁施工期间出现的热效应；国际预应力协会规定：凡是混凝土一次浇筑尺寸大于0.6m，特别是水泥用量大于400kg/m时，应该考虑用水化放热慢的水泥或是采取其他降温散热措施。式中：t(t)为在龄期时混凝土的绝热温升;W水泥用量；K折减系数，对于粉煤灰，可取 =0.25；F混合料用量；Q水泥水化热；C混凝土比热容；R混凝土密度；m常数，随水泥品种，比表面，及浇筑温度而异；t

8、水化时间。水泥用量在300kg/m3左右时，绝热温升为3040左右。水泥用量在500kg/m3左右时，绝热温升为5560左右。混凝土的绝热温升计算公式： 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，而使构件表面产生裂缝。这种裂缝在构件表面通常呈直交状况。 某7跨预应力连续梁桥，跨径组合为100+6154+100m，箱梁混凝土为C55； 某3跨预应力连续刚构桥，跨径组合为110+190+110m，箱梁混凝土为C60。两座梁桥的水化热测试对比某154m主跨梁桥箱梁C55混凝土配合比（kg/m3）某190m主跨梁

9、桥箱梁C60混凝土配合比（kg/m3） 两座桥梁混凝土等级相差不大，配合比采用的水胶比和水灰比基本一致。但是，主跨为190m的刚构桥混凝土配比中水泥用量过大，为460kg/m3,加剧了混凝土的收缩特性，并且会在混凝土浇筑时产生较高的水化热，容易产生早期裂缝。备注：测点79，为上游腹板外表面，中心处，内表面测点，1012为下游腹板外表面，中心处，内表面测点。腹板测点实测温度时程曲线 某154m主跨梁桥1号块水化热实测底板测点实测温度时程曲线 顶板测点实测温度时程曲线 备注：测点13，为顶板外表面，中心处，内表面测点， 测点46，为底板内表面，中心处，外表面测点。水化热测试结果入模温度低：底板、腹

10、板、顶板混凝土入模温度分别为：16，16.4，14.7，均值为15.7 ；峰值温度低：底板、腹板、顶板混凝土峰值温度分别为：43.2 ,40.0 ,32.2；满足施工规范：底板、腹板、顶板混凝土最大内表温差分别为：10.2,8 ,7；加强前期养护，控制后期拆模：拆模时间控制在4d；拆模时未发现可见裂缝。某190m主跨梁桥2号块水化热实测2号块新浇混凝土腹板内与顶板外温差实测 2号块实测水化热时程曲线 测试结果2号块腹板混凝土入模温度为36；腹板内混凝土在其浇筑后18h达到最大温升73.5；混凝土腹板内与顶板外温差在混凝土浇筑后22h达到最大值40.5；实际进行裂缝检查时，箱梁腹板在张拉预应力之

11、前就出现了温度裂缝。 两座桥的腹板水化热测试结果比较底板混凝土外观质量 腹板外侧混凝土外观质量 顶板混凝土外观质量 某154m主跨梁桥箱梁混凝土外观质量某连续刚构桥的腹板早期裂缝某190m主跨梁桥2号块早期裂缝形态水化热控制措施减少水泥用量，优化配合比；降低入模温度；加强前期养护，控制内外温差；控制拆模时间。优化方法：拟采用“双掺技术” ，比较不同粉煤灰掺量、不同养护条件混凝土的收缩、徐变与抗开裂敏感性，并考虑施工的方便性、经济性和易保证性，最终确定箱梁混凝土的配制方案；合理设计配合比参数，尽量减小胶材及水泥用量，控制用水量，增加粗骨料用量，以提高混凝土的体积稳定性、减小徐变，确保箱梁整体结构

12、的安全使用；配合比优化措施混凝土的收缩对于梁桥混凝土的收缩裂缝主要包含两个方面：混凝土先后浇筑的收缩差：承台与薄壁墩之间的收缩差；箱梁0号块与1号块之间的收缩差；混凝土养护期间的干燥收缩。混凝土收缩的发展规律曲线（ACI）若相邻节段混凝土施工的间隔过长，则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。从图中可以看到：如果相邻节段混凝土施工间隔不超过30d，则相邻节段混凝土的收缩差不会超过57个微应变，小于混凝土的极限拉应变150个微应变。薄壁墩与承台间的收缩差导致的裂缝形态某PC斜拉桥主梁区隔板内裂缝墙板干燥收缩裂缝与边框架的变形早龄期混凝土收缩效应与环境湿度之间的关系曲线图中

13、3条收缩曲线分别代表了相对湿度100，相对湿度40，以及相对湿度40但处于2.5m/s自然风条件下的塑性收缩规律。从图中可以看出，相对湿度为40时并不会使新浇混凝土产生过大的收缩，但是如果此时新浇混凝土暴露在自然风条件下，将会产生收缩裂缝。 混凝土的收缩裂缝防止控制混凝土先后施工的龄期差，一般不超过30d优化配合比，减少水泥用量，减少混凝土自身收缩加强混凝土施工期的养护，做到防风，保湿注意拆模前和拆模后的养护使用防裂钢筋网。荷载裂缝成因分析：对于施工期间的梁桥而言，荷载裂缝主要由预应力施工引起，多发部位为齿板处。主要原因有：锚头局部配筋较多，振捣不密实；预应力施工引起的裂缝主要表现在混凝土的养

14、护龄期不够，混凝土强度未达到要求；预应力损失过大；灌浆不密实，截面被削弱，不足以产生足够的抗力。荷载裂缝的控制：严格按相应的规范、规程进行施工。保障预应力张拉龄期对预应力损失进行抽检并评定保证孔道灌浆质量对孔道灌浆质量进行抽检并评定混凝土强度张拉龄期达到设计要求规范要求：不应低于设计混凝土立方体抗压强度标准值的75% 合理控制张拉龄期张拉龄期确定的原则：混凝土早期力学性能；水化热稳定；张拉时结构的受力；对长期受力性能的影响。 关于混凝土强度等级评定的几个应注意的问题： 平均值与标准值； 统计评定和非统计评定； 现养与标养。 在施工现场进行箱梁混凝土取样，进行强度跟踪测试。混凝土立方体抗压强度发

15、展速规律 混凝土棱柱体抗压强度发展速规律 某154m主跨连续梁桥的混凝土力学性能发展规律测试：箱梁混凝土强度和弹性模量的发展速率 箱梁混凝土弹性模量发展速规律 标养和现养混凝土性能比较现养混凝土强度与弹性模量均比标养强度低；立方体抗压强度：现养是标养的：77.0%- 95.0%；弹性模量：现养是标养的：92.6%-97.8%；现养和标养28d的立方体抗压强度分别为74.9MPa和69.2MPa，现养/标养=0.92；标养和现养条件下混凝土6d立方体抗压强度分别为57.4MPa和53.4MPa，现养/标养=0.93；标养和现养条件下混凝土7d立方体抗压强度分别为58.5MPa和55.6MPa。现

16、养/标养=0.95；标养和现养混凝土28d的立方体抗压强度分别为74.9MPa和69.2MPa，达到混凝土强度检验评定标准所规定的强度标准；现养/标养=0.92；标养和现养条件下混凝土的6d立方体抗压强度分别为57.4MPa和53.4MPa，其中现养试块强度没有达到设计强度的90，故不能在6d时进行张拉；现养/标养=0.93；标养和现养条件下混凝土7d立方体抗压强度分别为58.5MPa和55.6MPa，现养/标养=0.95 ；现养强度达到设计强度等级的88%；基本符合设计要求； 在本实验大气环境条件下，棱柱体弹性模量发展速率较快，要高于立方体抗压强度和棱柱体抗压强度发展速率；标养试块的强度发展

17、速度快，实际施工过程中应以现养试块作为施工进度指导依据。对预应力张拉模拟计算： 为了确认预应力张拉是否会引起荷载裂缝，并合理确定养护龄期，对预应力张拉建模进行理论分析结构受力状态是否正常？考虑施工实际情况模型应力考虑各种不利工况第一主应力允许拉应力？第三主应力允许压应力？结果应力是否通过张拉龄期的合理确定 基于早龄期混凝土强度发展规律测试，并对预应力张拉进行模拟计算，确定合理的张拉龄期。保证张拉时结构不产生裂缝。有效预应力的保证：预应力张拉严格按照规范进行；竖向预应力建议采用二次张拉工艺。对预应力损失进行抽检并评定竖向预应力损失测试横向预应力损失测试竖向有效预应力随时间变化放松前注意拧紧螺母，

18、一次张拉时W3，W3的锚固回缩损失分别为4.5%和3.6%；采用二次张拉时，W3，W3的锚固回缩损失分别为1.5%，1.2%，比原来明显减小 。采用合适的波纹管采用成品灌浆料采用真空压浆工艺进行试验检测保证孔道压浆质量 进行预应力注浆体与周边结合面间粘结性能的试验 ，结果表明：浆体的种类对粘结强度没有明显影响；波纹管的类型对浆体与预应力波纹管之间的粘结强度有显著影响，浆体与塑料波纹管间的粘结强度是金属波纹管的1/3-1/4。外部混凝土劈裂破坏 内部浆体剪切破坏 预应力注浆体与周边结合面粘结性能试验结果注浆效果检测 预制空心板采用C50混凝土，预应力筋fpk= 1860MPa，公称直径d=15.2mm的低松弛高强度钢绞线。对N1、N2两束用普通水泥浆进行普通压注，N3、N4两束采用Sika浆。 检测结果压浆检测结果普通灌浆料Sika灌浆料检测结果： 在普通压浆的施工工艺条件下，普通水泥浆的注浆密实性较Sika水泥浆要差，对于弯曲程度较大的腹板束普通水泥浆压浆甚至出现锚固端没有浆体的现象。真空压浆流程图真空压浆工艺 纵向预应力采