浅谈全混凝土结构斜拉桥施工期间裂缝成因及控制措施

蒋赢达

（上海公路投资建设发展有限公司，上海市200335）

1 概述

1.1 问题的提出

混凝土在浇筑后，暴露在一定温、湿度的环境中，将产生各种收缩。收缩变形的大小取决于环境的温度和湿度、构件的尺寸、制备混凝土原材料的特性，以及配合比等因素。在各种约束的作用下，混凝土的收缩将引起拉应力。当拉应力超过其抗拉强度时，混凝土就可能开裂。混凝土开裂会导致渗水、加速钢筋锈蚀、降低结构耐久性[1]。裂缝问题伴随着混凝土的出现而产生，形式多样，原因复杂，必须结合结构形式及外部环境做好事前控制方能避免或减少裂缝产生。

1.2 收缩

混凝土的收缩是指其体积的减小过程，产生的原因：一是混凝土本身的材料特性；二则与环境相关。主要可分为以下三类[2]。

1.2.1 化学收缩

混凝土的化学收缩是指在混凝土内部水泥水化的过程中，水化产物的绝对体积同水化前水泥和水的绝对体积之和相比有所减少的现象。这主要是由于胶凝材料水化反应前后化合物平均密度不同所致。

1.2.2 干燥收缩

干燥收缩是指混凝土停止养护后，在不饱和的空气中失去内部毛细孔和凝胶中的水而发生的收缩。主要是由混凝土失水引起的。

1.2.3 温度收缩

混凝土与其他材料类似，均存在热胀冷缩的特性。因温度而产生的收缩主要分为两类：一是环境温度的下降导致混凝土构件整体的冷缩变形，如日夜变化、季节变化等；二是早期水化热达到最高峰后，混凝土表面及内部与外界环境进行温度传递，造成其温度不断下降，最终与环境温度达到一致而形成冷缩变形。

1.3 约束

混凝土收缩后，若存在约束阻止其收缩变形的发展则混凝土将出现拉应力。约束可以分为内部约束及外部约束两类：

内部约束主要是指表层混凝土与内部混凝因收缩量不一致而导致的不同混凝土层之间的约束。此类约束通常是内部约束表面，因为表面的干燥收缩及温度收缩速度通常大于混凝土内部。对于新老混凝土的结合位置，因新混凝土收缩速度及收缩量大于老混凝土，也容易产生老混凝土约束新混凝土的内部约束。

外部约束主要是指结构本身或施工措施对混凝土构件的整体的约束，如：门式墩立柱对盖梁的约束，受力支架对混凝土的约束等。

1.4 裂缝

混凝土裂缝主要出现在混凝土浇筑初凝后的早期。此阶段混凝土各方面收缩量较大，其弹性模量已增长到一定的水平，外部或内部约束对混凝土构件的约束力较大，以致产生较大的拉应力，但其强度却处于较低水平，一旦拉应力超过混凝土此时的抗拉强度，则产生裂缝。

1.5 主要的控制措施

混凝土的裂缝控制，从根本上来说是减少或推迟收缩量的产生。对于化学收缩，可以通过优化配合比，减少水泥用量的方式进行控制；对于干燥收缩，可以通过对混凝土覆盖并保持湿润来减小前期的收缩量；对于温度收缩，则应该采取措施减小混凝土的内外温差，若环境温度急剧下降则应做好相应的保温措施[3]。

1.6 全混凝土结构斜拉桥

全混凝土结构斜拉桥主要指其主塔、主梁均采用混凝土材料。因其特殊的结构形式，其裂缝问题不同于常规结构，需特殊分析解决。

2 工程概况

某大桥采用双塔双索面预应力混凝土斜拉桥的形式一跨过江。跨径为（125+296+125）m，边跨设置有辅助墩；主塔为花瓶型，塔高94 m；主梁采用预应力混凝土双主肋断面，桥面宽34.6 m；基本结构体系采用半漂浮体系；斜拉索采用扇形密索体系。两侧引桥采用30 m左右预应力混凝土刚接小箱梁，简支变连续处理，桥面总宽为27.5 m。主桥设计方案见图1所示。

因该工程位于二级水源保护区，为减少后期养护对水源的污染，主塔及主梁均采用了混凝土结构，对施工及设计均造成了较大的难度，尤其是对于混凝土裂缝控制方面提出了很高的要求。

3 主墩承台大体积混凝土裂缝控制

该桥单个主墩承台面积约1076m2，承台厚度5.5m，基底垫层厚度为35 cm，混凝土方量为5 919.2 m3，采用一次性完成浇筑的施工方案，具体构造见图2所示。

图2 主墩承台构造图

该承台混凝土方量非常大，承台厚度达到5.5 m，属于典型的大体积混凝土的范畴。此类混凝土在浇筑初期内部产生大量的水泥水化热却无法释放，其内部温度及内外温度梯度均非常大，会引起较大的温度应力。一旦控制不好极易产生裂缝，而防止裂缝的首要措施为温度控制。

《混凝土结构工程施工规范》对此类大体积承台混凝土浇筑的温控参数主要有三个：一是最大升温不宜大于50℃，二是混凝土表面与环境温差、混凝土内部相邻测点间的温差不应超过25℃，三是降温速率不宜大于2.0℃/d[4]。

为对混凝土温度进行全过程监控，首先，要建立完善温度监测系统，密切监视温度波动，以指导混凝土的养护工作；其次，应采取贯穿于混凝土浇捣前、浇捣中及浇捣后的全阶段温度控制措施。对此，应做好以下几方面工作[5]：

（1）合理设计混凝土配合比，降低水泥用量，优先选用低热水泥，掺加矿渣、粉煤灰等水泥替代物，减少总的水化热；

（2）采用缓凝剂延迟水化进程，降低温度高峰值；

（3）通过骨料预冷、冰代替部分拌和水、运输防晒等措施降低混凝土入模温度；

（4）混凝土浇筑后，通过有效的保温养护来提高表层温度、减小内表温差并控制降温速率,典型方法为表面覆盖蓄热养护、蓄水养护等；

图1 主桥设计方案布置图

（5）对于较厚的大体积混凝土，必须通过预埋冷却水管来降低内部的混凝土温度。

斜拉桥承台通常尺寸较大，混凝土方量大，产生裂缝的主要原因为温度变化及梯度而造成的温度应力，而其裂缝控制的成功与否，主要通过温度监测结果体现，因此温度监测系统必须建立，且必须考虑全阶段温度控制措施，否则一旦产生裂缝将对结构产生非常不利的影响。

4 塔柱裂缝成因及控制

该工程主塔为花瓶型，塔高94 m，采用双肢箱型钢筋混凝土结构。施工中分为24个节段进行浇筑，其中下塔柱及少量中塔柱采用翻模施工，其余中塔柱及上塔柱采用爬模施工。

在02#节段施工并拆模后，发现其混凝土表面出现了一定数量的裂缝，经过专业仪器检测，裂缝长度为40～300 cm，宽度为0.2 mm以下，均为混凝土表面裂缝，某一典型面的裂缝分布情况见图3所示。

图3 塔柱2#节段裂缝分布情况示意图

由图3可见，主要裂缝类型：一是分布较为均匀竖向裂缝，二是新老混凝土结合面的龟裂区。经过分析，除混凝土塌落度过大、入模温度高、养护措施不到位等普遍原因外，出现上述裂缝还存在以下原因：

（1）此节段混凝土浇筑时正值夏季，气温高，白天混凝土在高温、日照及自身水化热的作用下自身温度非常高，一旦进入夜晚，环境气温降低，箱体外侧混凝土表面温度随之降低，而箱体内由于通风不畅，仍然聚集有大量的热量无法释放，因此出现了较大的内外温差，造成收缩不一致，从而产生裂缝。

（2）箱体内部模板支撑采用脚手管对撑的形式，因经验不足，此节段箱内支撑系统的松模时间在5 d左右，脚手管对撑的支撑系统作为外部约束制约的箱体的收缩，从而产生了裂缝。

（3）因工序衔接存在问题，02#节段混凝土浇筑时间与01#节段间隔时间为1个月左右，此时01#节段混凝土收缩已基本完成，老混凝土做为内部约束而阻止02#节段新浇筑混凝土收缩，从而造成新老混凝土结合位置的龟裂区。

通过对02#节段裂缝成因的分析，后期采取相对应的措施以控制裂缝的出现。对于箱体内外温差问题，要求拆模后及时增加鼓风机等通风设备对箱体内部热量进行释放；对于脚手管对撑的外部约束，要求48 h内必须松模，提前解除收缩约束；对于新老结合部位收缩不一致的问题，要求尽量缩短相邻两个阶段混凝土之间的间隔时间，尽量控制在10 d以内。通过上述施工措施，后期塔柱混凝土裂缝得到了有效的控制。

5 主梁翼缘板裂缝成因及控制

该桥主梁采用预应力混凝土双主肋断面，主梁宽度34.6 m，主梁截面中心点梁高2.8 m，主肋梁高2.55 m，顶面在车行道范围内设2.0%双向横坡，布索区和人非混行道为平坡。主梁完全对称于桥梁中心线，全桥根据施工顺序共分为69个节段，从边跨到桥梁中心线依次为边跨支架现浇段2、边跨合龙段2、边跨支架现浇段1、边跨合龙段1、边跨节段 8～1#、0#块、中跨节段 1～21#、中跨合龙段，两段边跨支架现浇段长33.7 m和26.1 m，边跨合龙段长2 m，B0段长16.8 m，中跨合龙段长2 m，其余节段均为标准节段，标准节段长6.6 m。标准段主梁肋宽为2 m，两主肋中心距26 m。其横断面结构形式见图4所示。其边跨节段8～2#、中跨节段2～21#均采用牵索挂篮进行施工。

图4 主梁横断面结构图

5#节段施工完成后进行例行检查时（雨天），发现2#～5#节段翼缘板均出现一定数量的规则裂缝。所有裂缝均出现在靠近节段分界线的新浇节段翼缘板上，裂缝距离节段分段线0.2 m左右，与主纵梁成30°～45°夹角向外延伸，长度0.2～1.6 m，宽度0.2～0.4 mm，每个翼缘板裂缝数量2～4道，在混凝土养护洒水期间及雨天，梁底裂缝有水渗出，可判断该裂缝贯穿。其分布情况及实景见图5、图6所示。

图5 主梁翼缘板裂缝分布示意图

图6 主梁翼缘板裂缝之实景

在发现该裂缝后，对裂缝的出现、发展及变化等情况进行持续观测和记录，并在6#、7#及8#节段施工中，陆续采取了在翼缘板增设防裂钢筋、调整混凝土浇筑顺序、严格控制混凝土养护期间临时堆载、模板的拆除和三角桁架的行走满足龄期及抗压强度双控，提前施加部分纵向预应力等措施。

根据观测裂缝出现时间为混凝土浇筑完成后的第4天左右；3～7 d同条件养护试块的试验结果显示各阶段的混凝土强度均能满足工序要求；混凝土初凝时间约11 h能满足混凝土浇筑要求（浇筑时间约为5 h）；6#、7#及8#节段的裂缝数量变少，其长度、宽度及角度也逐步减小，情况明显改善，但仍存在贯穿现象。

为分析裂缝产生的原因，从6#节段开始严格规定了部分工序的操作时间：模板的拆除时间为第5天，三角桁架的行走时间为第5天，预应力张拉的时间为第7天。根据后续节段的观测情况，基本可以排除以上工序为出现裂缝的主要原因。

通过分析，上述裂缝的出现存在以下主要原因：

（1）主梁标准段横截面为π形，其主肋宽度2 m，翼缘板厚度为0.55～0.2 m，厚度差异大，浇筑完成后其前期收缩不一致（翼缘板收缩大，主肋收缩量小），导致翼缘板出现沿纵桥向的拉应力；另一方面，相邻两个节段间存在15 d左右的施工龄期差，新浇节段翼缘板收缩受已经浇筑节段的约束而产生沿横桥向的拉应力，在两个方向的拉应力作用下，若主拉应力超过混凝土抗拉强度，则可能出现斜向裂缝。

（2）根据观测，斜拉索长度随温度变化而伸缩，使梁体在竖向出现有周期的位移变化（8#节段最前端位移差2.4 cm），可能导致节段根部裂缝的出现或发展。

（3）主梁采用前支点挂篮施工，在混凝土养护期间，梁体和挂篮处于弹性简支状态，对外部扰动较为敏感，施工作业、堆载等均可能使梁体出现抖动和竖向位移变化，可能导致节段根部裂缝出现或发展。

根据以上分析，对后续节段施工采取以下措施，控制其裂缝的产生：

（1）在翼缘板易开裂的部位加防裂钢筋网片，在混凝土浇筑完成后的第3天提前张拉翼缘板部位的纵向预应力，张拉力为设计张拉力的50%，第7天二次张拉至100%，以抵消前期产生的收缩拉应力。

（2）加强混凝土养护期的控制措施，模板的拆除（包括翼缘板松模及拱架的下放）和三角桁架的行走必须满足龄期大于等于5 d和抗压强度大于等于70%双控目标。从混凝土浇筑完成至预应力和斜拉索三张之前，严禁在主梁前端13.2 m范围内（两个标准节段）堆载。

通过上述措施，后期主梁翼缘板裂缝得到了有效的控制。

6 结语

裂缝问题始终伴随着混凝土技术的发展。对于全混凝土结构的斜拉桥，则应该结合其结构特点，对外部及内部因素进行逐一分析，方能做好混凝土裂缝的控制工作。本文就工程实施过程中出现的特有的裂缝问题进行了分析并提出了解决措施，为类似工程提供参考。

[1]危鼎.施工期混凝土构件裂缝判断与防治研究[D].上海:同济大学,2009.

[2]洪景尧.混凝土结构裂缝类型、产生原因和防治技术[D].上海:同济大学,2004.

[3]王刚.浅析公路桥梁混凝土裂缝 [J].公路桥梁，2016，（10）：186-187.

[4]GB50666-2011，混凝土结构工程施工规范[S].

[5]许艳朝.大体积混凝土工程施工的控制措施[J].河北工程技术高等专科学校学报.2010，（4）：18-19.