馬　良，李懷海，蘇文明

(1.山東華鑒工程檢測(cè)有限公司， 濟(jì)南　250101； 2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶　400067)

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低溫施工大體積混凝土橋臺(tái)裂縫分析

馬良1，李懷海2，蘇文明1

(1.山東華鑒工程檢測(cè)有限公司， 濟(jì)南250101； 2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶400067)

摘要：大體積混凝土施工具有水化熱高、收縮量大、容易開裂等特點(diǎn)，在低溫環(huán)境條件的影響下，產(chǎn)生裂縫較難避免。以冬季低溫施工產(chǎn)生大體積混凝土橋臺(tái)裂縫的實(shí)際工程為對(duì)象，對(duì)其橋臺(tái)裂縫性狀進(jìn)行描述，并結(jié)合施工、養(yǎng)護(hù)等資料對(duì)裂縫成因進(jìn)行分析，且提出低溫大體積混凝土裂縫控制要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：大體積混凝土；低溫施工；水化熱；溫度裂縫

大體積混凝土施工具有水化熱高、收縮量大、容易開裂等特點(diǎn)。當(dāng)日平均氣溫降到5 ℃以下，或最低氣溫降到0 ℃和0 ℃以下時(shí)，混凝土必須采用特殊技術(shù)措施進(jìn)行施工。雖然混凝土低溫施工會(huì)增加施工成本，但由于大型橋梁施工周期長(zhǎng)、工期緊，混凝土低溫施工仍不可避免。因此，低溫施工時(shí)大體積混凝土裂縫控制是施工控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的原因主要分為2類[1]，一類是結(jié)構(gòu)外部荷載產(chǎn)生的受力裂縫，比如受拉裂縫、剪切裂縫等；另一類是間接作用下產(chǎn)生的非受力裂縫，比如混凝土收縮裂縫、溫度裂縫等。實(shí)際上混凝土結(jié)構(gòu)中的裂縫很少由單一因素引起，往往由多種原因共同作用所致。因此，只有正確判斷裂縫成因，才能對(duì)裂縫的性質(zhì)及其對(duì)結(jié)構(gòu)的影響作出科學(xué)的評(píng)判，以便采取針對(duì)性的措施對(duì)裂縫進(jìn)行有效處理。

本文針對(duì)某橋低溫施工的大體積混凝土橋臺(tái)進(jìn)行了裂縫調(diào)查和有限元分析，對(duì)大體積混凝土橋臺(tái)澆筑時(shí)溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，以判明裂縫產(chǎn)生的原因及性質(zhì)，并提出大體積混凝土低溫施工的防裂措施建議，從而達(dá)到控制低溫施工的大體積混凝土抗裂的目的。

1橋臺(tái)裂縫情況調(diào)查

某橋上部結(jié)構(gòu)形式為1×30 m剛架拱橋，下部結(jié)構(gòu)形式為樁基橋臺(tái)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級(jí)為2級(jí)，環(huán)境類別為Ⅲ類海水環(huán)境。2013年11月橋臺(tái)拆模后，發(fā)現(xiàn)橋臺(tái)前墻、背墻均存在少量豎向裂縫，且澆筑后8 d內(nèi)橋臺(tái)裂縫數(shù)量和寬度發(fā)展迅速。

該橋橋臺(tái)主要結(jié)構(gòu)尺寸見圖1，施工條件和施工工藝見表1，混凝土配合比見表2。

圖1　某橋橋臺(tái)布置示意

結(jié)構(gòu)名稱混凝土強(qiáng)度等級(jí)施工工藝?yán)鋮s方式澆筑日期拆模日期當(dāng)日氣溫/℃0#橋臺(tái)背墻C451次分層澆筑冷卻管冷卻2013-11-262013-11-29-3～70#橋臺(tái)前墻C451次分層澆筑冷卻管冷卻2013-11-122013-11-15-1～131#橋臺(tái)前墻C452次分層澆筑自然冷卻2013-11-162013-11-19-2～112013-11-172013-11-20-2～121#橋臺(tái)背墻C451次分層澆筑冷卻管冷卻2013-11-012013-11-040～12

表2　混凝土配合比　kg/m3

0#橋臺(tái)背墻高、低樁號(hào)側(cè)各分布5條較為明顯的豎向裂縫，最寬0.80 mm，最長(zhǎng)5 m。端部裂縫為斜向，中部裂縫為豎向，大部分裂縫呈中間寬兩頭窄狀。裂縫分布見圖2。圖2中，裂縫7、裂縫9出現(xiàn)在模板搭接處，且高、低樁號(hào)側(cè)裂縫呈現(xiàn)位置、寬度、長(zhǎng)度、走向等相似的特征，見圖2。

0#橋臺(tái)前墻裂縫的性狀、分布與背墻裂縫相似，見圖3。

注：圖中裂縫寬度單位為mm。下同。

圖3　0#橋臺(tái)前墻裂縫分布示意

2裂縫成因分析

2.1成因初步分析

首先，可以判斷裂縫是非受力裂縫，因?yàn)閺牧芽p調(diào)查情況及圖2、圖3可知，裂縫是在橋臺(tái)混凝土養(yǎng)護(hù)過程中出現(xiàn)的，橋梁上部結(jié)構(gòu)并沒有進(jìn)行施工，此時(shí)橋臺(tái)不承受外荷載。其次，可以排除裂縫是混凝土干縮所致，因?yàn)榛炷粮煽s裂縫只出現(xiàn)在表面，且呈龜裂狀態(tài)[1]。調(diào)查資料顯示，裂縫主要是在模板拆除之后產(chǎn)生的。由于該橋橋臺(tái)屬于低溫施工的大體積混凝土，模板拆除之后新澆筑混凝土直接暴露在低溫環(huán)境中，而橋臺(tái)內(nèi)部混凝土因水化熱處于高溫狀態(tài)，混凝土內(nèi)外溫差很大，故直接導(dǎo)致混凝土開裂。初步判斷橋臺(tái)裂縫主要成因?yàn)槭┕み^程中水泥水化熱及拆模后養(yǎng)護(hù)不當(dāng)引起的溫度裂縫。

2.2水化熱分析

使用Midas Civil 有限元軟件對(duì)0#橋臺(tái)背墻、前墻進(jìn)行水化熱分析，計(jì)算采用參數(shù)根據(jù)混凝土配合比、現(xiàn)場(chǎng)施工及養(yǎng)護(hù)條件取值(表1、表2)。另外，還考慮了拆模前后對(duì)流系數(shù)的變化以及冷卻管的降溫作用等[2-3]。

2.2.1橋臺(tái)背墻

對(duì)橋臺(tái)背墻混凝土進(jìn)行了溫度場(chǎng)分析。水化熱溫度分析結(jié)果表明，混凝土澆筑后，結(jié)構(gòu)中心部分溫度比表層混凝土高，混凝土澆筑40 h后中心溫度達(dá)到45.4 ℃，表層混凝土溫度處于8.4～27.2 ℃之間，內(nèi)外溫差達(dá)到37 ℃，見圖4，而JTG/T F50—2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定大體積混凝土的養(yǎng)護(hù)溫差不宜超過25 ℃[4]。

對(duì)橋臺(tái)背墻混凝土進(jìn)行了應(yīng)力場(chǎng)分析。水化熱應(yīng)力分析結(jié)果表明，混凝土澆筑初期，0#橋臺(tái)背墻表層混凝土出現(xiàn)了較大拉應(yīng)力，見圖5。291 h后(模板拆除)，橫向1/2截面、1/4截面和1/8截面表層混凝土的第一主拉應(yīng)力值都超過了混凝土的抗拉強(qiáng)度，見圖6。溫度應(yīng)力云圖(圖5)顯示背墻表層混凝土拉應(yīng)力值中間大、兩端小，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)裂縫形態(tài)完全吻合。

圖4　澆筑40 h后混凝土水化熱溫度云圖

圖5　澆筑291 h后混凝土水化熱應(yīng)力云圖

圖6　0#橋臺(tái)背墻表層混凝土溫度應(yīng)力時(shí)程曲線

2.2.2橋臺(tái)前墻

對(duì)橋臺(tái)前墻混凝土進(jìn)行了溫度場(chǎng)分析。水化熱溫度分析結(jié)果表明，混凝土澆筑后，結(jié)構(gòu)中心部分溫度比表層混凝土溫度高，混凝土澆筑120 h后中心溫度最高達(dá)到43.9 ℃，表層混凝土溫度處于4.2～15.1 ℃之間，內(nèi)外溫差最高能達(dá)到39.7 ℃，見圖7。

對(duì)橋臺(tái)前墻混凝土進(jìn)行了應(yīng)力場(chǎng)分析。水化熱應(yīng)力分析結(jié)果表明，混凝土澆筑初期，橋臺(tái)前墻表層混凝土出現(xiàn)了較大拉應(yīng)力，見圖8。291 h后(模板拆除)，橫向1/2截面、1/4截面和1/8截面表層混凝土的第一主拉應(yīng)力值都超過了混凝土的抗拉強(qiáng)度，見圖9。溫度應(yīng)力云圖(圖8)顯示前墻表層混凝土拉應(yīng)力值中間大、兩端小，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)裂縫形態(tài)完全吻合。

圖7　澆筑120 h后混凝土水化熱溫度云圖

圖8　澆筑291 h后混凝土水化熱應(yīng)力云圖

圖9　0#橋臺(tái)前墻表層混凝土溫度應(yīng)力時(shí)程曲線

3結(jié)論與建議

本文對(duì)某橋低溫施工的大體積混凝土橋臺(tái)進(jìn)行了裂縫調(diào)查和有限元分析。分析結(jié)果表明，該橋臺(tái)施工過程中拆除模板后，水泥水化產(chǎn)生的熱量足以引起結(jié)構(gòu)混凝土開裂，且橋臺(tái)前墻裂縫的數(shù)量、寬度及深度后期仍會(huì)繼續(xù)發(fā)展。

基于該橋橋臺(tái)水化熱計(jì)算分析，提出如下低溫環(huán)境下大體積混凝土綜合防裂措施建議[5-8]。

1) 設(shè)計(jì)時(shí)，可考慮配置防裂鋼筋網(wǎng)、預(yù)埋冷卻水管、設(shè)置滑移層與緩沖層等。

2) 大體積混凝土澆筑施工時(shí)，可采用分層分塊澆筑方式，如分層平行推進(jìn)、分層斜面推進(jìn)、分層交錯(cuò)推進(jìn)等。

3) 大體積混凝土拆模時(shí)間除考慮混凝土強(qiáng)度達(dá)到規(guī)定要求外，還要保證混凝土澆筑表面與大氣溫差不應(yīng)大于20 ℃。模板拆除后需加塑料薄膜和保溫毯繼續(xù)將混凝土覆蓋、保溫，以保證其緩慢冷卻。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]徐有鄰，顧祥林.混凝土結(jié)構(gòu)工程裂縫的判斷與處理[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[2]盧二俠.大體積混凝土承臺(tái)水化熱溫度分析與控制[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2007.

[3]朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2012.

[4]路橋集團(tuán)第一公路工程局.JTG/T F50—2011公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2011.

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[6]梁嘉彬.高原環(huán)境下冬季大體積混凝土防裂技術(shù)研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2012.

[7]李潘武，曾憲哲，李博淵，等.澆筑溫度對(duì)大體積混凝土溫度應(yīng)力的影響[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，31(5)：68-71.

[8]張振鑠.冬季高原地區(qū)鐵路橋墩混凝土保溫防裂技術(shù)研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2014.

Analysis of Cracks of Mass Concrete Abutments Constructed at Low Temperature

MA Liang1, LI Huaihai2, SU Wenming1

Abstract:Construction of mass concrete exhibits the features such as high hydration heat, large shrinkage and being easy to crack, etc., for which it is inevitable to produce cracks under the influence of low-temperature ambient conditions. With the practical projects in which cracks occur on mass concrete abutments constructed at low temperature in winter as the object, this paper describes characters of cracks on abutments, analyzes reasons of cracks in combination with data of construction and maintenance, etc., and proposes the key points of control for cracks on mass concrete at low temperature.

Key words:mass concrete; construction at low-temperature; hydration heat; temperature crack

文章編號(hào)：1009-6477(2016)02-0083-05

中圖分類號(hào)：U443.21

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

作者簡(jiǎn)介：馬良(1981-)，男，山東省濰坊市人，碩士，工程師。

收稿日期：2015-08-04

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.02.019