钢箱梁顶板混凝土裂缝成因分析及预控措施

钢箱梁顶板混凝土裂缝成因分析及预控措施

唐密

中铁一局集团第五工程有限公司   陕西省宝鸡市    721000

摘要：针对某高速公路50m长钢箱梁顶板混凝土出现表层裂缝的问题，从现场裂缝检测结果，分析了裂缝产生的主要部位和形态特征；从梁板材料的不同热胀效应和对比分析，研究了早期顶板混凝土和钢箱梁的热胀协调关系，计算分析了横向裂缝出现的主要理论原因。对裂缝进行了原因分类，提出了对应的预防与管控措施，研究结果对类似工程问题有一定参考意义。

关键词：钢箱梁；顶板混凝土；裂缝形态；成因分析；预控措施      

Analysis on causes of concrete cracks in steel box girder roof and pre-control measures

Tang Mi

(Fifth Engineering Co. , Ltd. of China Railway First Bureau Group, Baoji, Shaanxi 721000)

Abstract: In view of the surface crack in the top concrete of a 50m long steel box girder of an expressway, the main location and shape characteristics of the crack are analyzed from the field crack detection results.Based on the analysis of different thermal expansion effects of beam and plate materials, the thermal expansion coordination relationship between early-age roof concrete and steel box girder is studied, and the main theoretical reasons for transverse cracks are analyzed. The causes of the cracks are classified and the corresponding preventive and control measures are put forward. The research results have certain reference significance for similar engineering problems. 

Key words: steel box girder  roof concrete  Crack morphology  cause analysis  pre-control measures

1工程概况

某高速公路分离式立交桥上部结构采用50m长波形钢腹板组合箱梁，钢箱梁底部采用无粘结预应力钢绞线体外张拉（负弯矩张拉前施工），钢箱梁顶部的一期混凝土部分采用钢绞线负弯矩张拉以完成体系转换（先简支后连续）。

钢箱梁高2.25m，一期混凝土面板厚度0.25m，宽度2.65m，采用C60微膨胀混凝土浇筑。该一期混凝土在养护期间表面出现了多条形态各异的裂缝。针对该问题，从施工养护、环境和结构热胀等方面进行分析研究，以期得到有效的预防和管控措施。

2钢箱梁混凝土顶板施工和裂缝检测情况

2.1施工情况

钢箱梁顶板的施工时间为2022年6月9日-6月13日，顶板混凝土浇筑完成后，铺设150g/㎡透水土工布洒水养护。

6月14日发现顶板表面局部出现多条裂缝，初步分析，可能与白天温度较高，钢箱梁暴晒后，钢梁顶板温度过高，导致混凝土浇筑后水分散失过快，容易使混凝土表面出现早期的干缩裂缝。于是调整混凝土的浇筑时间，更改到天温度较低时进行，同时改用300g/㎡透水土工布加强面板洒水养护，之后裂缝略有好转。典型的顶板裂缝形态见图1。

（a）混凝土顶板左侧裂缝

（b）混凝土顶板右侧裂缝

图1 典型的混凝土顶板裂缝形态

施工环境与裂缝描述表见表1。

2.2裂缝检测结果及分析

现场对产生裂缝的梁板进行了裂缝状态的检测，结果见表2。

通过表1和表2的对比分析，我们发现有以下特点：

（1）所有裂缝无论左线或右线桥梁，均与梁板的日照方向无关联，也就不存在阴阳面的温差问题。

（2）裂缝以横向居多，纵向或斜向、网状的不多。

（3）裂缝的长度主要为262.5~1190mm、宽度主要为0.342~1.235mm，深度主要为44.9~59.2mm。最宽裂缝多数位于梁板的跨中前后，梁端出现较少。

（4）每片钢箱梁混凝土顶板的裂缝数量最多，多达75条，一般在25～44条之间。

（5）项目工程所处地区夏季施工的昼夜温差大，多数在15～20℃之间。裂缝的出现，可能与温差较大也有一定关系。

表1    钢箱梁顶板混凝土浇筑情况及裂缝描述

表2   混凝土顶板最大裂缝检测结果

3裂缝成因分析

在分析混凝土构件温度效应时，通常把构件作为研究对象，按环境约束条件的不同可分为弹性约束、全约束和连续约束等类型[1]，并将约束条件视为不变的刚性体。但是波形钢腹板组合箱梁顶板为混凝土，其作为约束体的结构尺寸是随温度变化的。为此就存在混凝土约束在不同施工阶段与钢板共同变形的协调性问题。

从混凝土本身的特点分析，初凝时间是指从水泥加水到开始失去塑性的时间，而终凝时间是指从加水到完全失去塑性的时间。从初凝到终凝，浆体逐渐失去塑性凝固产生强度，所以就施工现场的环境温度条件而言，混凝土初凝时间都比较长，一般初凝大于6小时，终凝达到12小时。

3.1梁板材料的热胀效应

3.1.1顶板混凝土的热胀效应

水泥基材料在终凝前，浆体的凝结收缩不会产生裂缝，但是在初凝后直至终凝后硬化过程中的自收缩、温度收缩和干燥收缩都可能造成混凝土裂缝，此过程只有良好的养护才可有效避免。根据混凝土变形是否引起混凝土结构产生应力，将混凝土的变形划分为无害变形和有害变形。混凝土凝结之前发生的变形为无害变形，凝结之后发生的变形则为有害变形[2]。

根据设计资料，桥面板混凝土属于超长杆件，没有设置单元板的断缝，是连续板结构。为了减少顶板混凝土的裂缝，设计时采用了补偿收缩混凝土，要求在混凝土中添加微膨胀剂。

膨胀剂是指与水泥、水拌和后，经水化反应生成钙矾石——水化硫铝酸钙(简称AFt)[3]，而使混凝土产生膨胀的外加剂。按膨胀源可分成：硫铝酸钙类、硫铝酸钙一氧化钙类、氧化钙类三大类膨胀剂。

补偿收缩混凝土改善了混凝土的内部应力状态，从而提高了它们的抗裂能力。

但是，补偿收缩混凝土的养护工作很重要，如果养护不好，补偿收缩混凝土会与普通混凝土一样，也会产生裂缝。水平混凝土构件采用洒水、覆盖的养护方法，可保证混凝土在早期处于—个相对较稳定的温度、湿度环境，基本避免了大风、太阳暴晒等引起混凝土急剧干缩的外界因素，对控制超长结构混凝土产生收缩裂缝是有一定效果的。

根据已有研究成果表明[4]，混凝土早龄期的热膨胀系数发展过程基本包含4个时间阶段，如图2所示。其中T1和T2分别为混凝土的初凝和终凝时间。

图2混凝土热膨胀系数发展规律

根据以上模型，我们所考虑的阶段主要是终凝前、直至终凝后大约5小时的时间段，因为这期间梁板经过第一次高低温循环并且混凝土处于凝固阶段。为此利用文献[3]提供的结论进行热膨胀计算。

（1）

式中：α—线胀系数（μm/m/℃）

T—混凝土的养护时间（小时）

T1—混凝土的初凝时间（小时）

T2—混凝土的终凝时间（小时）

根据已知的条件，计算混凝土顶板在最大温差条件下的理论热胀量为：

当L=50m，Δt=15℃，T=T2+5时，ΔLh=48.75mm。

根据公式（1）和（2）预测的顶板混凝土在温差达到15℃时的理想伸长量为48.75mm。这个伸长量是没有任何约束条件下的数值。也说明混凝土在凝固过程中的热胀特性比较明显，线胀系数接近混凝土凝固完成后稳定线胀系数的6倍，这个特性是导致顶板混凝土出现早期裂缝的原因之一。而此期间混凝土自身的收缩问题可以考虑由于掺加了膨胀剂而给予补偿，不予计算。

3.1.2钢箱梁材料的热胀量

日照条件下钢材的温度变化幅度较大，既有研究成果表明，钢构件在夏天的高温季节，箱形构件整体的最大温度可达56℃，构件整体的半月平均温升达到10 ～ 16℃[5]，期间可忽略钢板沿厚度方向的温度梯度。

普通钢材的热胀特性比较稳定，根据结构设计的梁体长度可以直接计算一定气温温差条件下的钢板理论伸长量。其中最大温差考虑在气温温差条件下在加10℃。

         （3）

当L=50m，Δt=15℃，αg=1.1×10-5/℃时，ΔLg=13.75mm。

3.2热胀对比分析

通过以上计算可以发现，终凝结束后的凝固阶段混凝土的理论热伸长量为48.75mm，钢板的理论热伸长量为13.75mm。二者存在较大的数值差异。但是混凝土在此阶段的高温作用下，凝固速度加快，强度上升也快，这种变形在混凝土低强度阶段，可通过钢板上设置的剪力钉分段平衡。当第一个高温时段结束后，钢板变形回缩，而此时的混凝土已经产生较大的强度，在剪力钉之间便产生拉应力，混凝土内部由于有钢筋的约束不会出现拉裂缝，但是钢筋保护层厚度范围的素混凝土就会出现拉裂缝，这也是表面出现非常多横向裂缝的基本原因。

钢箱梁顶板混凝土作为混凝土薄板，其水化反应的温度效应相对不太明显。其早期表层开裂的原因，除以上计算分析主因外，另一个可能的原因是在钢板高温作用下，混凝土失水过快，也会造成混凝土的早期干缩，这种裂缝的特征就是网状或无规则线条。

通过以上分析可以得到，钢箱梁顶板混凝土的浅层裂缝可以分为两大类：温度裂缝和干缩裂缝。前者主要因为施工时段的天气温度所致，后者主要是养护问题所致。由于这些裂缝本身深度均小于60mm，对钢箱梁顶板混凝土不会造成结构性损伤，只进行表层裂缝封闭处理即可。

4预防与管控措施

通过以上分析，针对高温季节钢箱梁的温度变化和早期混凝土的变形特征，在施工方面要做好以下预防与管控措施。

（1）作为钢箱梁顶板混凝土，由于其厚度不大，热交换条件好，混凝土水化热温度效应不明显。所以施工时段不一定是全天最低温度时段，要考虑终凝后的6小时内最好避开高温时段。

（2）高温季节施工时，要考虑混凝土在高温钢板上的环境条件，采取的养护措施必须满足混凝土本身不失水。

（3）有条件时施工现场设置遮阳棚，在混凝土浇筑完成的三天内避免阳光直射梁体钢构件。

（4）根据本桥设计，对于顶板混凝土裂缝，建议在体外预应力张拉完成后进行修复。

5结语

通过对钢箱梁顶板混凝土施工、裂缝检测结果、裂缝成因和预防管控措施的研究分析，得出如下初步结论：

（1）每片钢箱梁混凝土顶板的裂缝数量最多，多达75条，一般在25～44条之间。裂缝以横向居多，裂缝的长度、宽度及深度分别为262.5~1190mm、0.342~1.235mm和44.9~59.2mm。最宽裂缝多位于梁板跨中前后。由于夏季施工的昼夜温差大，主要在15～20℃之间，裂缝的出现，可能与温差较大也有一定关系；但是无论左线或右线桥梁的顶板裂缝，均不存在阴阳面温差问题。

（2）从梁板材料的不同热胀效应和对比分析可以发现，顶板混凝土在温差达到15℃时的线胀系数约为凝固完成后稳定线胀系数的6倍，终凝结束后凝固阶段混凝土的理论热伸长量为48.75mm，钢板的理论热伸长量为13.75mm，两者相差35mm。这些差异性因素是产生较多钢箱梁混凝土顶板裂缝的主要原因。

（3）钢箱梁顶板混凝土裂缝深度均小于60mm，对顶板混凝土未造成结构性损伤，属于浅层裂缝，可分为两大类：温度裂缝和干缩裂缝；温度裂缝主要因为施工时段的天气温度所致，干缩裂缝主要是养护问题所致。只需进行表层裂缝封闭处理即可。

（4）针对高温季节钢箱梁温度变化和早期顶板混凝土的变形特征，要考虑施工时段问题，终凝后的6 小时内最好避开高温时段。考虑混凝土在高温钢板上的环境条件，养护措施必须保证混凝土不失水。现场设置遮阳棚，混凝土浇筑完成三天内避免阳光直射梁体钢构件。顶板混凝土出现裂缝后，在体外预应力张拉完成后再进行修复。

参考文献

[1]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京：中国建筑工业出版社，2003年.

[2]侯东伟等.基于早期变形特征的混凝土凝结时间的确定[J].硅酸盐学报，2009,7:1079-1084.

[3]游宝坤，李乃珍.膨胀剂及其补偿收缩混凝土[M].北京：中国建材工业出版社，2006.

[4]危鼎等.混凝土早龄期热膨胀系数试验研究[J].江西科学，2007,6：258-263.

[5]王元清等.露天日照条件下钢结构构件温度的试验研究[J].建筑结构学报，2013,（增刊）：140-146.