16m普通钢筋混凝土空心板常见裂缝原因分析
文/刘宝忠
1 裂缝基本情况
通过现场调查，发现16m普通钢筋混凝土空心板不论采用预制或现浇均发现有裂缝现象出现，每片梁裂缝条数不等，间距为0.15～0.40m（大部分为0.2m左右），除梁端2～3m外，板底有横向裂缝。其中跨中裂缝间距较密，部分裂缝已引导侧板开裂。裂缝宽度检测结果表明，占总裂缝条数的88%裂缝宽度小于0.15mm，有11.2%的裂缝宽度在0.15～0.20mm之间，有0.7%的裂缝宽度超过0.2mm，但均小于0.25mm。
2 空心板施工工艺
空心板预制时外侧模板为钢模，内模为冲气胶囊。空心板混凝土的设计强度等级为C30MPa，混合料塌落度为5～7cm，拌和设备均为带自动计量的强制式拌和机，拌和时间为60～90S。浇筑混凝土时，先浇筑底板，用平板振动器振捣，底板混凝土浇筑完成后，立即安装内模气囊，并充气，使其气压达到0.3～0.4MPa，然后再浇筑腹板与顶板，用插入式振捣器振捣密实。振捣器插入至底板混凝土，待初凝后，进行板顶表面拉毛。空心板混凝土浇筑完成后，用麻袋覆盖并洒水养生7d。
空心板混凝土强度抽样共1706组，平均强度为38.6 MPa，最大值为55.9 MPa，最小值为30.1MPa，均符合设计及质量检验评定标准的要求。从施工过程调查结果可知，施工所用的原材料质量合格，工艺正常，实测混凝土强度合格。
3 裂缝成因分析
混凝土结构早期裂缝的成因，有荷载引起的裂缝和变形差的力学效应引起的裂缝。16m普通钢筋混凝土空心板在预制场及安装时便可产生可见裂缝，其产生原因主要是变形差的力学效应。安装时，自重应力的作用与变形差的力学效应叠加，加重了板的挠曲变形，增加裂缝宽度。
3.1干缩变形及温度变形分析
（1）收缩变形分析
分析混凝土的收缩变形，影响收缩变形的因素见表1，收缩计算公式为：
（1）
表1

条件 实际情况 系数取值
M1 水泥品种 鱼峰42.5普通硅酸盐水泥 1.00
M2 水泥细度 350m2/kg 1.06
M3 骨料种类 辉绿岩、石英砂 1.00
M4 水泥浆量 重量百分比21.16% 1.06
M5 初期养生时间 1～7d 1.11～1.00
M6 环境湿度条件 相对湿度30～70 1.18～0.77
M7 板底尺寸 宽104cm，厚8cm，r=0.27 1.02
M8 配筋率 12φ25，配筋率0.0708 0.818
M9 振动密实成型条件 机械振捣，密实充分 1.00

根据表1，收缩修正系数为1.23～0.72，高值为养生1d ，相对湿度30%的最不利情况，低值为正常情况，即养生7d，相对温度为70%。代入式（1），得各龄期的收缩变形值。
（2）温度变形分析
混凝土的热胀缩系数为(0.7～1.4)×10-5 (1/0C)，根据实际使用的骨料情况，取热胀缩系数为αt=1.4×10-5 (1/0C)。
空心板内外存在温度差，根据类似工程分析，在温度较低条件下施工时，空心板内由于水化热升温，板外对流换热降温，存在温度差。温度变形为：
（2）
4.2变形差应力和开裂计算分析
（1）收缩作用引起的应力
不考虑混凝土徐变的影响，收缩作用引起的钢筋应力为：
（3）
收缩受钢筋约束，混凝土受到的拉应力为：
（4）
（2）温差作用引起的应力
简支梁对称冷却温度收缩引起的应力为：
（5）
其中，考虑徐变的影响系数H，当混凝土足够成熟时，可取0.30～0.35。h为底板厚度的一半，ν为混凝土泊松比，取0.15。
（3）16m空心板底受到的变形差拉应力
根据前面的分析，板底混凝土的收缩变形为：
（6）
混凝土收缩变形计算结果如表2。
表2 混凝土收缩变形计算结果 (×10-4)

龄期（d） 7 14 28 56 90 180
最大 0.27 0.52 0.97 1.71 2.36 3.33
最小 0.16 0.30 0.57 1.00 1.38 1.94
产生裂缝时，混凝土已足够成熟，取弹性模量为3.3×104MPa，钢筋的弹性模量取值为2.1×104MPa,则模量比n(t)为6.36。
由式（4），并将收缩计算结果代入得混凝土收缩应力如表3。
表3 混凝土收缩应力计算结果 (MPa)

龄期（d） 7 14 28 56 90 180
最大 0.28 0.53 0.99 1.75 2.42 3.41
最小 0.16 0.30 0.58 1.03 1.41 1.99
温度差引起的板底应力按式（5）计算，其中取H为0.30，板底y=h，计算结果如表4。
表4 温度应力计算结果 (MPa)

温差（0C） 2 4 6 8 10 12
计算值 0.217 0.435 0.652 0.870 1.087 1.304
实测温度差40C，因温度差引起的应力可达0.435MPa。早龄期收缩应力与温度应力有叠加作用，由于水化热升温，温差较大，早期（14d内）混凝土强度较低，存在一个开裂危险期。安装阶段内外温度差减小，这时收缩较大，收缩应力占主导，在56～90d内，存在另一个开裂危险期。
从开裂的时间和裂缝分布可判断，开裂的主要原因是由收缩变形差受粗钢筋约束造成。
4空心板荷载试验结果及分析
4.1试验方案
取桥梁边跨中梁和中跨中梁各一片，进行板的结构试验，编号分别为1-5和3-5，尺寸分别为1576×104×75cm和1557×106×75cm。
在板跨中施加等效集中荷载P，测试L/4、L/2和3L/4截面，测定板底纵向应变、纵向应变沿板高的变化、竖向位移，测试斜截面剪应力、支座压缩量、台座沉降量及裂缝扩展。
设计破坏荷载为210kN，由汽车荷载引起的空心板等效集中力为81kN，分级加载直到破坏。
4.2边跨中梁的试验结果及分析
第1-5号边跨中梁试验前有裂缝39条，扩展到整个板底宽，未见扩展到侧面，裂缝宽度为0.04～0.10mm，间距0.2～0.3m，离支座3～3.5m。
回弹检测混凝土306d的强度为37.7MPa，L/4、L/2和3L/4截面的钢筋保护层厚度平均值分别42、52和31mm，较设计值30mm大。
试验前，L/4截面和3L/4截面的中性轴位置均未偏离理论中性轴位置，说明裂缝及保护层厚度对刚度的影响不大，而L/2截面中性轴位置较理论值高54mm，因为跨中附近裂缝较集中，初始裂缝对刚度有一定的削弱作用。
荷载-挠度曲线的稍偏离线性关系，但荷载在105kN之前的挠度均小于理论计算值，说明该梁的刚度较设计的大，之后荷载挠度关系开始偏离线性，加荷载170kN，卸载后残余挠度为20%左右，说明加载至105kN以后开始有一定的塑性变形。在等效集中力荷载为81kN的情况下，L/2截面的挠度值为7.28mm，不超过L/600的要求。该梁的极限承载力为290kN，大于设计210kN的要求。
随着荷载的增加，裂缝扩展，当荷载为105kN时，L/4截面裂缝宽度为0.07～0.18mm，平均0.096mm；3L/4截面裂缝宽度为0.04～0.05mm，平均0.043mm；L/2截面裂缝宽度为0.11～0.17mm，平均0.14mm。裂缝宽度均不超过0.20mm，符合规范要求。
4.３中跨中梁的试验结果及分析
第3-5号中跨中梁试验前有裂缝53条，大部分扩展到整个板底宽，部分延伸扩展到侧面，裂缝宽度为0.06～0.13mm，间距0.2～0.3m，离支座1.5～2.0m。
回弹检测混凝土216d的强度为39.4MPa，L/4、L/2和3L/4截面的钢筋保护层厚度平均值分别44、45和51mm，较设计值30mm大。
荷载-挠度曲线呈良好的线性关系，加荷载170kN，卸载后残余挠度为5%左右，结构处于良好的弹性受力状态。在等效集中力荷载为81kN的情况下，L/2截面的挠度值为13.6mm，不超过L/600的要求。该梁的极限承载力为270kN，大于设计210kN的要求。
随着荷载的增加，裂缝扩展，当荷载为105kN时，L/4截面裂缝宽度平均为0.13mm；3L/4截面裂缝宽度平均0.115mm；L/2截面裂缝宽度平均0.185mm。裂缝宽度均不超过0.20mm，符合规范要求。
5 成桥荷载试验结果及分析
5.1试验方案
选择已完成桥面铺装的桥进行成桥荷载试验。静载试验采用12辆汽车，加载总重为338.6～395.0kN，弯矩静载效率为0.97～0.98。分三种不同的工况加载，测试1号跨各工况跨中和L/4截面板底的纵向应变和挠度。采用1辆350kN的汽车，分别以不同速度通过桥面，测量动挠度、动应变和振动频谱等动力响应，用自然脉动法测量振动基频和阻尼。
5.2静载试验结果及分析
试验前检测该桥跨的裂缝情况，每片板裂缝条数均在40条以上，裂缝宽度和分布情况与前述情况相似。
工况一情况下，L/2截面挠度实测值为6.38mm，小于计算值16.23mm，校检系数为0.39；工况二情况下，L/2截面挠度实测值为5.65mm，小于计算值17.18mm，校检系数为0.33；工况三情况下，L/4截面挠度实测值为3.82mm，小于计算值11.83mm，校检系数为0.32。各工况的荷载-挠度曲线有良好的线性关系，各控制截面的残余挠度小于13%。
在工况三的偏载作用下，1列车时实测的最大横向分布系数比计算值小，其它2～6列车时实测的最大横向分布系数与计算值十分接近。
加载前实测的裂缝宽度为0.09～0.21mm，工况一实测裂缝宽度为0.11～0.25mm，工况二实测裂缝宽度为0.11～0.23mm，工况三实测裂缝宽度为0.09～0.24mm，裂缝扩展量很小，一般扩展宽度增加为0.01～0.05mm。
各工况0号台的沉降量分别为0.03mm，0.01mm和0.02mm，1号墩的沉降量分别为0.12mm，0.11mm和0.11mm，卸载后均回复。
5.3动载试验结果及分析
该桥处于弹性受力状态，振动基频为7.57～7.86Hz，较计算值5.99Hz高，振动阻尼为0.44～0.86，各种车速的冲击系数最大值均超过1.22。
从跑车工况动挠度时程曲线可知，当汽车行驶到2号跨时，1号跨的跨中出现负挠度，桥面连续使上构呈现一定的连续梁桥受力特征，有效减小了跨中正弯矩。
6 结论
（1）干缩变形差的应力超过混凝土的极限抗拉强度是导致开裂的直接原因，是不可避免的。温度差应力不是开裂的直接原因。
（2）板的结构试验，在等效设计荷载下的挠度、裂缝宽度均不超过规范要求，板的整体刚度较高，在等效设计荷载前裂缝扩展不明显。多条裂缝对跨中截面的刚度有一定的削弱作用。
（3）空心板梁的极限承载能力高于设计计算值1.28～1.38倍，极限承载能力较高。
（4）成桥试验，各工况下实测的挠度均符合规范要求，大多数裂缝宽度符合规范要求，裂缝扩展量不大，成桥处于弹性工作状态，偏载作用下的横向分布系数与计算值十分接近。
7 处理意见
（1）经过调查和成桥荷载试验，裂缝不影响结构功能使用要求，大部分裂缝宽度和挠度符合规范要求。为防止水和空气进入混凝土内腐蚀钢筋，提高结构的安全性和耐久性，采用涂刷有机硅涂料对裂缝进行封闭处理。
（2）加强绞缝、湿接缝，提高绞缝混凝土及湿接缝混凝土强度，桥面铺装可改为钢纤维混凝土，以加强界面处理。
作者单位：中交一公局第六工程有限公司