孫金更

(中國鐵道科學研究院標準計量研究所國家鐵路產品質量監(jiān)督檢驗中心，北京 100081)

鐵路箱梁靜載試驗開裂原因分析及控制措施

孫金更

(中國鐵道科學研究院標準計量研究所國家鐵路產品質量監(jiān)督檢驗中心，北京 100081)

通過預制后張法預應力混凝土鐵路橋箱形簡支梁靜載試驗出現(xiàn)的1.0級荷載開裂問題，對開裂原因進行全面分析。重點剖析由于蒸養(yǎng)拆模、混凝土水化熱高峰期拆模，造成混凝土芯部與表面、表面與環(huán)境溫差超過15 ℃的標準要求，致使混凝土內部溫差應力超過其抗拉極限強度而早期開裂的原因。論證靜載試驗在1.0級時，當混凝土抗拉極限強度fct=0，則抗裂安全系數(shù)Kf=λ，梁體在靜載試驗時出現(xiàn)1.0級開裂的必然性，進一步闡明混凝土溫差應力超限是箱梁靜載試驗開裂的主要原因，提出預防出現(xiàn)早期裂縫的控制措施。

預應力混凝土；箱形梁；靜載試驗；抗裂性；開裂原因；溫差應力；水化熱

1 概述

客運專線預制整孔簡支箱梁以抗扭剛度大、受力明確、建設速度快、易保證質量、建成后的橋梁養(yǎng)護工作量小以及低噪聲等優(yōu)勢，在鐵路客運專線中被廣泛采用。鐵路預制梁箱梁自重較大、不易更換，要求其具有較好的耐久性。預應力混凝土結構的抗裂性能直接影響結構的耐久性，保證結構抗裂性非常必要。橋梁靜載彎曲抗裂性試驗是檢驗橋梁結構的重要手段，是檢驗梁體抗裂性能和剛度是否滿足設計要求的常規(guī)方法。通過靜載試驗，可以更好地掌握箱梁結構的工作狀態(tài)，判斷是否符合設計要求和正常受力狀態(tài)，可以完成對梁體承載能力和工作狀況的總體評價，是控制橋梁總體質量的重要方法。根據(jù)《客運專線預應力混凝土預制梁暫行技術條件》(以下簡稱“《標準》”)以及相關規(guī)范要求，在梁體終張拉30 d后，除首孔梁進行靜載試驗外，每批次60片隨機抽樣進行1件梁靜載試驗。如靜載試驗過程中在1.2級荷載內出現(xiàn)受力裂縫，則判定不合格。如何在施工中采取措施，保證結構抗裂性，是箱梁預制的關鍵環(huán)節(jié)。為此，箱梁靜載試驗開裂原因以及控制措施有必要進行深入探討。

2 箱梁結構抗裂性分析

根據(jù)《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規(guī)范》( TB1002.3—2005)(以下簡稱《橋規(guī)》)規(guī)定，對于不允許出現(xiàn)拉應力的預應力混凝土結構，正截面抗裂性驗算公式如下

(1)

(2)

式中Kf——抗裂安全系數(shù)，依據(jù)規(guī)范Kf≥1.2；

σ——計算荷載在截面受拉邊緣混凝土中產生的正應力；

σc——扣除相應階段預應力損失后的混凝土的預壓應力；

fct——混凝土抗拉極限強度，對C50混凝土，fct=3.10 MPa；

γ=2S0/W0——考慮混凝土塑性的修正系數(shù)；

S0——換算截面重心軸以下的面積對重心軸的面積矩，m3；

W0——對所檢算的拉應力邊緣的換算截面抵抗矩，m3；

λ——預應力度。

根據(jù)設計院提供的統(tǒng)計資料，各種梁型主要設計參數(shù)統(tǒng)計見表1。

表1 梁型設計參數(shù)統(tǒng)計

由式(1)可知，抗裂安全系數(shù)Kf與預應力度λ、混凝土塑性系數(shù)γ、混凝土抗拉極限強度fct有關，依據(jù)《橋規(guī)》規(guī)定：對于不允許出現(xiàn)拉應力的預應力混凝土結構，按彈性階段檢算截面抗裂性，但在運營階段正截面抗裂檢算中，應計入混凝土受拉塑性變形的影響，其Kf≥1.2，由式(1)和式(2)得λ+γfct/σ≥1.2，由表1可知對于某一橋梁結構類型λ、γ、σ為定值，一般情況下λ在1.0～1.1，梁體抗裂性能否大于1.2主要取決于fct，如混凝土養(yǎng)護不到位，早期出現(xiàn)裂紋，則fct=0，這時梁體抗裂安全系數(shù)是不可能達到1.2的，因此，靜載試驗中出現(xiàn)早期開裂的主要原因是混凝土早期開裂。

3 箱梁混凝土早期裂縫分析

混凝土裂縫可分為荷載引起的裂縫和非荷載因素引起的裂縫，早期裂縫主要是由于非荷載因素所引起的。非荷載因素裂縫主要包括收縮裂縫和溫度應力裂縫。

3.1 收縮裂縫

收縮是混凝土在不受力的情況下，因體積變化產生的變形。當混凝土不能自由收縮時，收縮的結果會在混凝土內引起拉應力而產生裂縫。早期混凝土的脹縮、水分蒸發(fā)收縮(2～12 h)、自生收縮等是近年來發(fā)現(xiàn)的工程現(xiàn)場早期開裂的主要原因，特別是高強混凝土的早期收縮量有可能很大。早期水化化學收縮、骨料下沉及砂漿上浮、表面水分蒸發(fā)等因素引起，后兩種在施工階段出現(xiàn)較多。研究表明，不同的水泥品種、水膠比、坍落度、摻合劑、養(yǎng)護條件等對早期的塑性收縮裂縫影響很大。箱梁為狹長薄壁結構，澆筑過程中混凝土不易密實，易導致骨料下沉水泥漿上浮，而出現(xiàn)表面裂縫。

3.2 溫度應力裂縫

溫度應力裂縫是混凝土箱梁早期開裂的主要原因，溫度應力與混凝土凝結硬化時的水化熱、養(yǎng)護制度、撤除蒸汽養(yǎng)護罩及拆模時的環(huán)境溫度、結構的約束情況等密切相關。

(1)水化熱引起溫度梯度而開裂。高速鐵路簡支預制箱梁截面尺寸及混凝土體積較大，如時速350 km的32 m預制簡支箱梁，每片梁324 m3混凝土?；炷翝仓瓿珊蟮某跄A段，水泥水化反應快速，釋放大量的熱量，但熱量積聚在混凝土內難以散發(fā)，導致混凝土內部溫度迅速升高，而表面溫度低，因此造成混凝土芯部與表層、表層與外部空氣環(huán)境形成內外溫差。當混凝土內外溫差較大，其產生的不均勻的溫度應變在受到混凝土結構件本身約束和外界約束時，將在混凝土硬化過程中產生較大的溫度應力，當混凝土產生的這種溫度應力達到一定程度而超過混凝土抗拉強度時，混凝土結構就會開裂。

(2)溫差的形成。拆模階段，由于拆模后的環(huán)境影響，混凝土表面溫度迅速降低，而內部溫度降低速度緩慢，根據(jù)某工程現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，箱梁跨中及端部截面底板混凝土的水化熱下降規(guī)律是每小時降溫0.45～0.55 ℃，頂板每小時降溫0.35～0.45 ℃，腹板每小時降溫0.30～0.35 ℃，這樣就會形成芯部與環(huán)境的陡然溫差而產生溫度應力。而在拆模時，依據(jù)《標準》要求混凝土的強度僅達到設計等級的60%，此時混凝土的抗拉強度較低，如溫度應力超限極易產生早期裂縫。早期裂縫在梁體預施應力后閉合，因此也經(jīng)常不被注意到，但開裂的混凝土抗拉強度已經(jīng)喪失，在靜載試驗階段，就出現(xiàn)了早期開裂。

(3)混凝土伴隨溫度的升降會產生脹縮變形，此脹縮應變決定于混凝土熱脹系數(shù)和溫度變化量?；炷翝仓笊郎剡^程中還基本處于塑性或彈塑性狀態(tài)，此時彈性模量較低，變形能力很大，溫度應力對結構的影響可以忽略不計，溫度變化對混凝土的影響主要表現(xiàn)在降溫階段。

在降溫階段，由于混凝土較差的導熱性，且結構內外降溫速率不同。當混凝土受自身的非線性溫度場約束，或混凝土內外形成較陡的溫差梯度時，外部混凝土的收縮明顯大于內部混凝土的收縮，內部混凝土對外部混凝土的收縮提供了約束，產生了混凝土表面的約束拉應力，當約束拉應力超過混凝土抗拉極限時，梁體就會產生裂縫。因此，溫度裂縫是造成箱梁開裂的主要因素之一，尤其降溫階段應作為重點關注的問題。

以京滬高速鐵路32 m箱梁為研究對象，使用Midas FEA軟件建立實體單元模型，模型共有104 252個單元和133 506個節(jié)點，約束在實際支座位置并模擬4個支座的活動方式?；炷翉姸鹊燃墳镃50。

計算工況：模擬混凝土芯部與表層-15 ℃溫差工況。箱梁外表面與內表面均為-15 ℃，箱梁腹板、底板、頂板、頂板與腹板交接處及底板與腹板交接處的芯部溫度為0 ℃。

分析結果表明：芯部與表層的溫差致使底板上下表面產生約4 MPa的縱向應力，腹板內外表層產生3.8 MPa的縱向應力。

一般情況下，設計要求拆模時混凝土強度為設計強度的60%，相當C30混凝土，其對應彈性模量為3.2 GPa，約為C50混凝土彈性模量的0.9倍，但初期彈性模量增長較慢，并不與強度呈對應關系增長，一般低于對應強度等級的混凝土彈性模量，由某梁場試驗資料，2 d時的彈性模量為C50混凝土彈性模量的0.6～0.8倍。因此本文將模型中混凝土彈性模量分別按0.8、0.6、0.4、0.2進行折減后相應計算，分析彈性模量對溫差應力的影響(表2)，跨中截面縱向應力計算結果表明，底板和腹板應力隨彈性模量降低也相應降低。當彈性模量在設計彈模0.8倍以下時，箱梁表面產生3.308 MPa以內的溫差應力，而考慮混凝土塑性變形修正系數(shù)1.5，對于C30混凝土γfct=1.5×2.2=3.3 MPa。即拆模時混凝土強度為設計強度的60%、溫差應力15 ℃時，梁體混凝土表面產生的混凝土溫差拉應力(3.308 MPa)與混凝土自身的抗拉強度(3.3 MPa)相當，說明梁體混凝土表面具有抵抗溫差變形的能力，考慮鋼筋的約束作用，箱梁結構在滿足芯部與表層15 ℃溫差時，具有足夠的抗裂性。

表2 底板底面應力和腹板外層應力與彈性模量折減系數(shù)關系

4 早期裂縫的控制措施

4.1 優(yōu)化混凝土的配合比，降低水化熱，減小內部溫升

混凝土材料和配合比是影響早期裂縫的直接因素，選擇混凝土原材料、優(yōu)化混凝土配合比的目的是使混凝土具有較好的抗裂能力。即要求混凝土的絕熱溫升較小、抗拉強度較大、極限拉伸變形能力較大、熱強比較小、線膨脹系數(shù)較小，自生體積變形最好是微膨脹，至少是低收縮。在絕熱環(huán)境下，認為混凝土水化熱沒有損耗，全部轉化為混凝土溫升的熱量值，絕熱溫升隨時間上升的規(guī)律由下式確定

(3)

式中W——水泥用量，kg/m3；

F——摻合料用量，kg/m3；

k——摻合料折減系數(shù)(對于粉煤灰，可取k=0.25)；

c——混凝土比熱，可取0.92 kJ/(kg·℃)；

ρ——混凝土密度，根據(jù)混凝土的配合比進行取值。

從式(3)可以得出，若每m3混凝土減少10 kg的水泥用量，混凝土的水化熱溫升將隨之降低1 ℃左右。因此，在保證混凝土初張拉強度、彈性模量的前提下，可以采取的有效溫控措施就是要盡可能降低水泥用量，添加粉煤灰等摻合料，或通過采用低水化熱的水泥的方式降低混凝土最高溫升。

因此，混凝土配合比設計應辯證地把握好早期強度與水化熱的“度”。水泥用量大早期強度高，對初張拉即生產進度有利，但水泥用量大而產生的水化熱不利于溫度應力的控制。

4.2 控制好養(yǎng)護期間的溫度，合理設計冬季施工時的蒸汽養(yǎng)護制度

據(jù)《標準》要求，預制梁蒸汽養(yǎng)護按靜停、升溫、恒溫、降溫4個階段進行控制。靜停期間應保持棚溫不低于5 ℃，澆筑完4～6 h后方可升溫，升溫速度不得大于10 ℃/h，應采用“跟蹤養(yǎng)護”，即根據(jù)水化熱發(fā)展速度而升溫/降溫，以避免升溫過快導致混凝土發(fā)生較大膨脹，引起混凝土微觀結構的破壞，降低混凝土的最終強度。恒溫期內溫度應控制在45 ℃以下，可通過箱梁脫模強度要求、混凝土配合比、以及外在環(huán)境條件等來確定恒溫條件下的養(yǎng)護時間，恒溫養(yǎng)護時間具體應根據(jù)試驗確定。恒溫期梁體芯部溫度不得超過60 ℃。降溫速度不但應保證不大于10 ℃/h，而且還應跟蹤養(yǎng)護棚溫度與梁體內水化熱的溫差，使混凝土芯部與表面溫差切實得到有效控制，保證混凝土內、外溫差不超過15 ℃。為此，應在跟蹤養(yǎng)護制度基礎上實行升降溫速度(10 ℃/h)、混凝土溫差(15 ℃)的雙控。

(1)靜停階段

靜停階段為簡支箱梁混凝土澆筑成型到混凝土初凝完成，開始供應蒸汽前的階段。在靜停期內混凝土進行一定程度的水化反應，混凝土初步硬化，使之具備一定的初始強度，抵抗在升溫期中出現(xiàn)的“腫脹作用”。靜停期間對蒸汽養(yǎng)護方面的規(guī)定是應保持棚溫不低于5 ℃，澆筑完至少4～6 h后方可升溫，主要因為當環(huán)境溫度降低到5 ℃以下時，箱梁局部混凝土溫度可能在0 ℃左右，存在混凝土中的水有一部分開始結冰，使水化作用減慢，強度增長相應變慢，同時水變成冰后，體積約增大9%，產生冰脹應力，會使混凝土結構受到不同程度的破壞?？紤]到安全一般靜停階段環(huán)境溫度最小應控制在5 ℃以上。

(2)升溫階段時間控制

升溫開始時，梁體混凝土的強度還較低，由于鋼模的高導熱和低蓄熱性，會形成從混凝土側到鋼模側的溫度差。當該溫度差較大時，混凝土表面將承受較大的拉應力，造成混凝土表面開裂，升溫速率是升溫階段控制最關鍵的一個環(huán)節(jié)。通過對升溫速率的控制，可以調節(jié)箱梁的硬化強度和熱脹變形產生的溫度應力之間的關系，避免升溫過程中混凝土溫度應力超過其硬化強度造成混凝土開裂。比如當環(huán)境溫度為t1=5 ℃時，為保證梁體混凝土芯部與表層、表層與環(huán)境溫度差不超過15 ℃，混凝土養(yǎng)生恒溫溫度t0=45 ℃，升溫速度v1=10 ℃/h，根據(jù)規(guī)范，升溫時間最短需要T1=(t0-t1)/v1=(45-5)/10=4 h?？紤]到混凝土的初期芯部水化熱溫度較低，且強度較低，升溫階段宜釆用分階段控制，在蒸養(yǎng)初期，應采取緩慢升溫。

(3)恒溫階段時間確定

恒溫階段的主要控制參數(shù)是恒溫溫度和恒溫時間。恒溫期是簡支箱梁混凝土強度增長最快的階段。恒溫階段的溫度越高和養(yǎng)護時間越長，箱梁的強度發(fā)展越快和養(yǎng)護結束時獲得的強度越高。但恒溫時間超過某一值時，箱梁強度會出現(xiàn)“鋸齒”波動，甚至出現(xiàn)最終強度回縮，因此要控制恒溫時間。為避免養(yǎng)護溫度與環(huán)境溫度相差太大，使梁體對溫度變化過于敏感，《標準》規(guī)定混凝土芯部溫度不宜超過60 ℃，最大養(yǎng)護溫度不宜超過45 ℃。水化熱60 ℃-45 ℃=15 ℃，芯表溫差符合要求。

對于簡支箱梁混凝土蒸汽養(yǎng)護的恒溫時間，應根據(jù)簡支箱梁脫模強度要求、混凝土配合比以及環(huán)境條件等通過試驗確定。簡支箱梁混凝土的強度必須確保移出養(yǎng)護罩后，滿足拆模及預張拉的強度要求。根據(jù)某工程試驗，在45 ℃恒溫、水膠比等于0.32、蒸養(yǎng)混凝土強度要求達60%時，恒溫時間確定為不少于10 h。

(4)降溫階段控制

降溫是養(yǎng)護4個階段的關鍵環(huán)節(jié)。降溫階段的主要控制參數(shù)是降溫速率、混凝土芯部與表層溫差、表層與環(huán)境溫差值。在降溫過程中，表層降溫快，收縮亦快；內層降溫慢，收縮亦慢，在構件表里產生溫度差，在表層混凝土中產生拉應力，當拉應力超過混凝土抗拉強度時，就會在混凝土表層產生溫度裂縫。另外，降溫時應緩慢停氣、均勻降溫、保持濕度，以消除蒸養(yǎng)對箱梁混凝土強度的影響。

一般梁場，降溫開始時刻為澆筑20 h，鐵科院有關試驗數(shù)據(jù)表明，混凝土水化熱在澆筑20 h時正上升到頂峰60 ℃，且梁體某些部位在50 ℃及以上將持續(xù)20h。混凝土水化熱的下降速率：梁跨中及端部截面底板每小時降溫0.45～0.55 ℃，頂板每小時降溫0.35～0.45 ℃，腹板每小時降溫0.30～0.35 ℃。梁體混凝土芯部的降溫速率最快僅為0.55 ℃/h。

若混凝土芯部的降溫速率按0.50 ℃/h計算，一般企業(yè)生產工藝規(guī)定降溫18h，芯部溫度降低18 h×0.50 ℃/h=9 ℃，屆時芯部溫度為60 ℃-9 ℃=51 ℃，梁體表面溫度為15 ℃，芯表溫差為51 ℃-15 ℃=36 ℃，遠超出《標準》限定的15 ℃，此時的混凝土強度僅為設計強度的60%，足以使混凝土開裂。當環(huán)境溫度0 ℃，蒸養(yǎng)棚內溫度=梁體表面溫度=15 ℃，混凝土芯部溫度需要降至30 ℃，方可滿足兩個15 ℃的要求。需要下降溫度=60 ℃-30 ℃=30 ℃，需要降溫時間為30 ℃/0.50 ℃/h=60 h，蒸養(yǎng)時間總計：靜停6 h+4升溫h+恒10 h+降溫60 h=80 h。如降溫時間太短，則會導致混凝土早期開裂。降溫速度、降溫時間、拆模時間點不僅要考慮養(yǎng)護棚溫與環(huán)境溫差，更要考慮梁體表面與芯部溫差。而芯部水化熱溫度是控制降溫速度、降溫時間長短的關鍵。

4.3 預張拉措施

按目前工藝控制，早期開裂并未像分析的這樣普遍，究其原因，存在著發(fā)證檢驗用靜載試驗梁一般是第1榀或第2榀，試生產期尚未批量生產，養(yǎng)護時間較長；冬季施工時水化熱引起的芯部最高溫度受環(huán)境溫度的影響，有可能在50～55 ℃，撤出養(yǎng)護罩以及模板拆除都是安排在一天溫度最高的時間段，這樣可以有效地減小溫度梯度；但如何更有效地避免溫差過大出現(xiàn)的早期裂紋，除了進行跟蹤養(yǎng)護、減小溫差應力外，在模板松開后立刻進行預張拉是預防溫度裂縫出現(xiàn)的有效措施。

目前在通用圖設計中已經(jīng)把預張拉作為預施應力施工的關鍵環(huán)節(jié)，通過預張拉，使結構產生一定的壓應力以抵抗由于溫差引起的拉應力，同時應嚴格控制從降溫開始到模板拆除及預張拉前整個過程的溫度差。

4.4 拆模時的技術要求

拆模應實行溫度、強度雙控，并應以溫度為主控條件。

(1)溫度控制：蒸汽養(yǎng)護結束后，待梁體芯部混凝土與表層混凝土之間的溫差、表層混凝土與環(huán)境之間的溫差均不大于15 ℃，以及箱梁腹板內外側混凝土之間的溫差也不大于15 ℃時方可拆模。在寒冷季節(jié)施工時，若環(huán)境溫度低于0 ℃，應待表層混凝土冷卻至5 ℃以下才可拆除模板；氣溫急劇變化以及大風天氣時不宜拆模。

(2)強度控制：箱梁拆模時的混凝土強度應符合設計要求。當設計無具體規(guī)定時，應達到設計強度的60%以上。當預制梁帶模預張拉(即松脫而不移走)時，混凝土強度可以達到設計強度的50%，模板及支座板固定螺栓應松開，不應對梁體壓縮造成阻礙。

5 結語

當混凝土溫差超過15 ℃，其內部溫差應力將致使混凝土外表或內部開裂，從而喪失了混凝土Rl，靜載試驗1.0級時梁體將會出現(xiàn)開裂。為保證梁體抗裂性，應注重控制芯部與箱內、箱外表面溫差不得超過15 ℃；表面溫度與箱內、箱外環(huán)境溫差不得超過15 ℃，蒸養(yǎng)拆模不當易造成箱外梁體表面溫度與氣候環(huán)境溫差超過15 ℃，同時水化熱造成芯部與外表面溫差超過15 ℃。

為保證結構抗裂性，一方面應采取措施降低原材料的水化熱、采取跟蹤養(yǎng)護制度，減小溫差應力，同時采取預張拉措施使結構處于受壓狀態(tài)，避免早期裂紋的出現(xiàn)，保證箱梁結構的耐久性。

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Cause Analysis and Control Measures to Cracking of Railway Box Girder

SUN Jin-geng

(Quality Supervision and Inspection Center for Railway Products， Standard and Metrology Research Institute， China Academy of Railway Science， Beijing 100081， China)

With regard to the cracking identified under the static test for prefabricated post-tensioned prestressed concrete railway bridge simply supported box girder， this paper analyzes the causes of cracking with focus on early cracking due to the fact that the concrete inner temperature difference stress exceeds the tensile ultimate strength， which is caused by the temperature difference between the core and surface of the concrete， and the temperature difference between the surface and the environment in excess of the restricted 15 ℃ on account of the form removal during steam curing and in peak period of concrete hydration heating. The author demonstrates the inevitability of cracking during beam static load level 1.0 test with concrete tensile limit strengthfct=0， and anti-crack safety factorKf=λ， further elucidates that it is the concrete transfinite temperature stress that gives rise to box girder cracking， and puts forward control measures to prevent early cracks．

Prestressed concrete; Box girder; Static load test; Crack resistance; Cracking reason; Temperature difference stress; Hydration heating

2015-04-24

孫金更(1956—)，男，高級工程師。

1004-2954(2015)07-0084-05

U448.21+3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.07.019