胡偉明，馬建林，李軍堂，蔣炳楠，余允峰(.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都　6003;.中鐵大橋局集團(tuán)有限公司，湖北武漢　430050)

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大截面混凝土沉井早期裂縫預(yù)防措施現(xiàn)場試驗(yàn)研究

胡偉明1，馬建林1，李軍堂2，蔣炳楠1，余允峰2
(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031;2.中鐵大橋局集團(tuán)有限公司，湖北武漢430050)

摘要:多數(shù)混凝土的早期裂縫是由混凝土收縮引起的，盡管對于混凝土收縮的研究已取得較大進(jìn)展，但至今還未被業(yè)界完全掌握。本文針對滬通長江大橋超大截面混凝土沉井，通過理論分析，確定引起混凝土收縮的主要因素為溫降收縮、干燥收縮和自收縮，繼而組織現(xiàn)場試驗(yàn)，分析各因素對該項(xiàng)目現(xiàn)澆混凝土收縮的影響。研究結(jié)果表明:控制溫度梯度的工程措施對該項(xiàng)目混凝土收縮的作用不明顯;通長布置抗裂鋼筋可緩解在變截面處出現(xiàn)收縮應(yīng)力過大的現(xiàn)象;后澆段有助于釋放由于混凝土收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力，進(jìn)而避免收縮裂縫的產(chǎn)生。研究成果直接用于指導(dǎo)滬通大橋大截面沉井現(xiàn)場施工，并可為今后類似工程提供數(shù)據(jù)參考。

關(guān)鍵詞:滬通長江大橋大截面混凝土沉井早期裂縫防裂措施現(xiàn)場試驗(yàn)

混凝土早期開裂是指結(jié)構(gòu)在施工期間，荷載尚未完全施加時(shí)，部分現(xiàn)澆混凝土在拆?；蝠B(yǎng)護(hù)過程中出現(xiàn)的裂縫。研究表明，對于混凝土早期裂縫，荷載并不是導(dǎo)致其產(chǎn)生的主要原因，90%以上的早期裂縫是由于混凝土收縮引起，尤其是細(xì)長型大截面混凝土結(jié)構(gòu)，收縮更是混凝土開裂的主要誘因。盡管目前對于混凝土收縮的研究已取得較大進(jìn)展，但因收縮現(xiàn)象的復(fù)雜性，至今還未被業(yè)界完全掌握［1-2］。本文通過現(xiàn)場試驗(yàn)，從現(xiàn)場施工的角度分析不同工程措施及工藝在預(yù)防混凝土早期開裂中的作用。

1　超大截面沉井混凝土收縮力學(xué)模型

1.1沉井工程概況

滬通長江大橋主塔28#墩基礎(chǔ)采用倒圓角的矩形沉井基礎(chǔ)方案。矩形沉井井身平面尺寸為86.9 m×58.7 m，倒圓半徑為7.45 m，混凝土沉井壁厚1.8 m，隔墻厚1.3 m，為方便吸泥取土下沉，沉井平面布置為24個13 m×13 m井孔。沉井下部44 m高的范圍為鋼沉井，其余為鋼筋混凝土沉井，底節(jié)及頂節(jié)高8 m，其余每節(jié)高約6 m。沉井平面見圖1。

圖1　沉井平面(單位:cm)

1.2混凝土收縮力學(xué)模型

現(xiàn)有研究成果表明［3-5］，對于混凝土早期裂縫影響較大的因素主要是溫降收縮、干燥收縮和自收縮。對于本文研究的沉井，從平面上看，是由許多尺寸相同的局部單元組合而成，故可選取沉井平面的一個局部單元作為計(jì)算分析對象。隔墻相交的地方定義為A構(gòu)件，兩個A構(gòu)件之間的隔墻定義為B構(gòu)件，如圖2所示。因A構(gòu)件為軸對稱且為對稱受力，可進(jìn)一步將B構(gòu)件兩端的A構(gòu)件簡化為固定端，成為B構(gòu)件的約束。

圖2　混凝土收縮分析力學(xué)模型(單位:cm)

根據(jù)混凝土極限拉伸試驗(yàn)可知，低強(qiáng)度等級混凝土的極限拉伸應(yīng)變可以按60×10－6來估計(jì)［6］。對于本工點(diǎn)采用的C40混凝土，在現(xiàn)場條件下極限拉伸應(yīng)變可以100×10－6為限。

在上述簡化條件下，結(jié)合現(xiàn)有研究成果［7］計(jì)算可知:溫降收縮約為(60～120)×10－6、干燥收縮約為(200～400)×10－6、自收縮為(130～300)×10－6。此處考慮最不利條件，將上述3項(xiàng)全部相加，然后減去混凝土的極限拉伸應(yīng)變，得到收縮應(yīng)變?yōu)?300～720)×10－6，結(jié)合A，B構(gòu)件的幾何尺寸，可得到A構(gòu)件的裂縫寬度合計(jì)為0～1.37 mm，B構(gòu)件沿軸向的裂縫寬度合計(jì)為0～3.6 mm。

因A構(gòu)件為軸對稱構(gòu)件，其裂縫應(yīng)為隨機(jī)且均布的微裂縫，B構(gòu)件為細(xì)長結(jié)構(gòu)，其裂縫產(chǎn)生的位置為結(jié)構(gòu)變截面處，即A構(gòu)件和B構(gòu)件的銜接部位。

2　預(yù)防開裂的工程措施

為防止沉井因混凝土的收縮效應(yīng)而產(chǎn)生收縮裂縫，在混凝土沉井施工中增設(shè)17個后澆段，將沉井整個斷面分割為6個獨(dú)立的收縮分塊。此外，混凝土沉井防裂的技術(shù)措施還有增設(shè)冷卻水管、增加抗裂鋼筋、進(jìn)行模板保溫等現(xiàn)場施工措施。

2.1后澆段

在混凝土沉井增設(shè)后澆段17處，橫橋向7處，縱橋向10處，共將沉井整個斷面分割為6個獨(dú)立的收縮分塊。相鄰兩節(jié)混凝土沉井的后澆段總體按對稱布置，以提高沉井整體的受力特性，后澆段結(jié)構(gòu)平面圖如圖3所示。

圖3　后澆段結(jié)構(gòu)平面(單位:cm)

后澆段設(shè)置可以給混凝土充足的收縮空間和時(shí)間，使其收縮應(yīng)力得到充分釋放，待各分塊收縮充分后再進(jìn)行后澆段的澆筑。

2.2抗裂鋼筋

抗裂鋼筋的設(shè)計(jì)原則是將混凝土沉井水平筋設(shè)置為整根通長布置，以增大混凝土沉井在隔墻交匯處的整體抗拉強(qiáng)度從而達(dá)到抗裂的效果，如圖4所示。

圖4　抗裂鋼筋設(shè)計(jì)示意

為滿足抗裂鋼筋設(shè)計(jì)要求，方便現(xiàn)場施工，需挪動原設(shè)計(jì)水平向鋼筋的位置，并在空出的位置上增加抗裂水平向鋼筋，相互之間采用搭接連接。采取對稱反向挪動的方式挪動設(shè)計(jì)水平向鋼筋，保證同一斷面的鋼筋接頭率≤50%。

2.3冷卻水管

在中間段隔墻及井壁交叉處的混凝土內(nèi)部預(yù)埋冷卻水管，在混凝土澆筑完成1～2 d后，開始循環(huán)供水冷卻。

冷卻水管的布置，可使現(xiàn)澆混凝土的水化熱隨時(shí)轉(zhuǎn)移，減小沿混凝土截面的溫度梯度，從而避免表面混凝土受拉開裂。

3　現(xiàn)場試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)場試驗(yàn)共分為兩個階段。第一階段試驗(yàn)中考察所有預(yù)防開裂的工程措施，第二階段針對試驗(yàn)中影響較為明顯的措施進(jìn)行對比分析。

3.1第一階段試驗(yàn)

3.1.1試驗(yàn)方案

第一階段試驗(yàn)將沉井分成三個監(jiān)測區(qū)段，即中間段、上游段和下游段。后澆段平面位置及傳感器布置如圖5所示，即上游段在沉井隔墻相交的區(qū)段設(shè)置通長抗裂鋼筋;中間段按現(xiàn)行通常方法施工混凝土沉井區(qū)段，并在隔墻與井壁、隔墻與隔墻交叉點(diǎn)內(nèi)設(shè)置φ50 mm、底口聯(lián)通的冷卻鋼管;下游段在沉井隔墻相交的區(qū)段設(shè)置通長抗裂鋼筋的基礎(chǔ)上，在模板內(nèi)外側(cè)貼厚3 cm的保溫泡沫板對混凝土進(jìn)行保溫。亦即:

上游段，后澆段+抗裂鋼筋。

中間段，后澆段+冷卻管。

下游段，后澆段+抗裂鋼筋+保溫模板。

圖5　第一階段試驗(yàn)傳感器布置

3.1.2數(shù)據(jù)分析

各試驗(yàn)區(qū)段混凝土應(yīng)變平均值對比如圖6。

圖6　各試驗(yàn)區(qū)段混凝土應(yīng)變平均值對比

由圖6可以看出:

上游段(后澆帶+抗裂鋼筋)混凝土受力狀態(tài)總體優(yōu)于其他兩區(qū)段。在混凝土澆筑完6～7 d后，上游段混凝土受力狀態(tài)主要呈受壓狀態(tài)，而其他兩區(qū)(中間段和下游段)整體上處于受拉狀態(tài)。

中間段(后澆帶+冷卻管)混凝土受力狀態(tài)最差。該區(qū)整體上處于受拉狀態(tài)，其最大拉伸應(yīng)變已接近混凝土開裂的拉伸應(yīng)變極限值。

下游段(后澆帶+抗裂鋼筋+保溫模板)混凝土受力狀態(tài)居三者之中。該區(qū)整體上處于受拉狀態(tài)，但其最大拉伸應(yīng)變?yōu)橹虚g段區(qū)域的40%～50%，平均拉應(yīng)變也明顯小于中間段。

圖7為各試驗(yàn)區(qū)段混凝土內(nèi)部溫度平均值對比結(jié)果，其平均值差異不明顯，總體在相近范圍內(nèi)。只是在澆筑混凝土4～8 d期間，下游段混凝土內(nèi)部溫度下降較其他兩區(qū)段的慢，但之后溫度基本維持在相同水平上?？梢酝普摚瑴囟刃?yīng)對這三種區(qū)段的影響基本相同。

圖7　各試驗(yàn)區(qū)段溫度平均值對比

3.2第二階段試驗(yàn)

3.2.1試驗(yàn)方案

從第一階段試驗(yàn)可知，溫降收縮并不是導(dǎo)致沉井現(xiàn)澆混凝土產(chǎn)生收縮應(yīng)力的主要因素。因此第二階段試驗(yàn)的分析重點(diǎn)為后澆段和抗裂鋼筋的作用?，F(xiàn)場試驗(yàn)依舊將沉井分成三個監(jiān)測區(qū)段。第二階段試驗(yàn)傳感器布置如圖8所示，每個試驗(yàn)監(jiān)測點(diǎn)布置混凝土應(yīng)變計(jì)和鋼筋計(jì)各1個。各段采取的抗裂措施:上游段在沉井隔墻相交的區(qū)段設(shè)置通長抗裂鋼筋;中間段按現(xiàn)行通常方法施工;下游段在沉井隔墻相交的區(qū)段設(shè)置通長抗裂鋼筋。

圖8　第二階段試驗(yàn)傳感器布置

亦即:

上游段，后澆段+抗裂鋼筋。

中間段，后澆段。

下游段，后澆段+抗裂鋼筋。

3.2.2數(shù)據(jù)分析

各試驗(yàn)區(qū)段混凝土應(yīng)變及鋼筋應(yīng)力平均值對比如圖9、圖10。圖中H2-2和G2-2分別為圖8中2號監(jiān)測點(diǎn)的混凝土和鋼筋應(yīng)變計(jì)。

圖9　各試驗(yàn)區(qū)段混凝土應(yīng)變平均值對比

圖10各試驗(yàn)區(qū)段鋼筋應(yīng)力平均值對比

由圖9、圖10可知，上游段(后澆帶+抗裂鋼筋)混凝土應(yīng)變的平均值小于中間段(后澆帶)，上游段鋼筋壓應(yīng)力的平均值小于中間段?；炷潦湛s對測點(diǎn)處的鋼筋產(chǎn)生軸向壓應(yīng)力，設(shè)置通長布置的抗裂鋼筋后，鋼筋上均勻分擔(dān)了混凝土收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力，因此上游段鋼筋軸向壓應(yīng)力比中間段小，同時(shí)因?yàn)閴簯?yīng)力分擔(dān)均勻，避免了應(yīng)力集中，使混凝土的拉應(yīng)變也略有減小，上游段的混凝土拉應(yīng)變也略小于中間段。

測點(diǎn)2(見圖8)位于中間段且位于后澆段研究區(qū)間內(nèi)。比較以上兩圖可知，上游段與測點(diǎn)2的混凝土應(yīng)變接近，但上游段鋼筋壓應(yīng)力值約為中間段的1/3。說明設(shè)置通長鋼筋可以避免在沉井隔墻變截面處形成收縮而導(dǎo)致拉應(yīng)力集中，可以有效改善該處應(yīng)力狀態(tài)，避免早期裂縫的產(chǎn)生。

4　結(jié)論

由上述現(xiàn)場試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析可得以下結(jié)論:

1)溫度效應(yīng)對三個試驗(yàn)區(qū)段的影響基本相同，說明沉井隔墻混凝土水化熱消散較快，控制溫度梯度的工程措施在此處的作用不是很明顯;

2)設(shè)置通長抗裂鋼筋可使混凝土收縮應(yīng)力沿鋼筋軸向均勻分布，避免在變截面處出現(xiàn)收縮而導(dǎo)致拉應(yīng)力集中，可顯著提高混凝土的抗裂性能;

3)設(shè)置后澆段可使后澆帶兩側(cè)一定范圍內(nèi)的混凝土自由變形，釋放由于混凝土收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力，進(jìn)而可避免收縮裂縫產(chǎn)生。

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(責(zé)任審編孟慶伶)

Field Experimental Research on Prevention Measures of Early Cracking in Large Cross Section Concrete Open Caisson

HU Weiming1，MA Jianlin1，LI Juntang2，JIANG Bingnan1，YU Yunfeng2

(1.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China;2.China Railway Major Bridge Engineering Group Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430050，China)

Abstract:M ost early crack is caused by the shrinkage of concrete.T hough great progress has been made on the study of concrete shrinkage，shrinkage is a complex problem and its mechanism has not been fully understood.T his paper aimed at prevention measures of early crack of large cross section concrete open caisson of Shanghai－Nantong Yangtze River Bridge.T hrough theoretical analysis，it was identified that temperature decrease shrinkage，drying shrinkage and autogenous shrinkage were the main causes of concrete shrinkage，and field experiment was taken to analyze their influence on cast-in-situ concrete in this project.Engineering measures to control the temperature gradient have no significant effects on concrete shrinkage according to the test results.Anti-crack rebar arranged along the structure may improve stress concentration at profile-change sections.Post-casting blocks contribute to release the tensile stress caused by concrete shrinkage，avoiding shrinkage crack.Research results may be directly used to guide construction of large cross section concrete open caisson in Shanghai－Nantong Yangtze River Bridge，and provide experience for the similar projects.

Key words:Shanghai－Nantong Yangtze River Bridge;Large cross section concrete open caisson;Early crack of concrete;Anti-crack measures;Field experiment

通訊作者:馬建林(1958—)，男，教授，博士。

基金項(xiàng)目:中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃(2013G001-A-2)

收稿日期:2015-09-28;修回日期:2015-12-25

文章編號:1003-1995(2016)03-0001-04

中圖分類號:U443.13+1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.01

第一作者:胡偉明(1985—)，男，博士研究生。