羅陽(yáng)青，杜召華，蔣 鑫，張 振

(湖南省交通科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410015)

混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的成因復(fù)雜、繁多，有時(shí)多種因素互相影響，但每一條裂縫均有其產(chǎn)生的一種或幾種主要因素，其中混凝土水化熱引起的溫度裂縫在施工中占相當(dāng)大比例。溫度裂縫控制在大體積混凝土施工中逐漸得到的重視，對(duì)其裂縫特點(diǎn)、性質(zhì)、原因、仿真計(jì)算及預(yù)防處理措施均有較全面討論及建議［1～4］?，F(xiàn)行施工規(guī)范［5］對(duì)大體積混凝土施工也重點(diǎn)強(qiáng)調(diào):要求混凝土內(nèi)外溫差不宜超過(guò)25℃。在工作實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)薄壁箱梁頂板在施工中出現(xiàn)大面積裂縫，為了解裂縫成因，本文選擇較典型箱梁裂縫進(jìn)行水化熱分析。

1 工程背景

某橋型布置為預(yù)應(yīng)力T梁+連續(xù)箱梁(24 m+45 m+37 m)+預(yù)應(yīng)力T梁，全長(zhǎng)1 512 m。連續(xù)箱梁采用單箱三室變截面(結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)圖1)，跨中和邊支點(diǎn)處梁高1.8 m，墩頂處梁高2.8 m，腹板厚0.65 m，頂板厚0.28 m，跨中和邊支點(diǎn)處底板厚0.22 m，5號(hào)、8號(hào)墩頂處底板厚0.42 m，6號(hào)、7號(hào)墩頂處底板厚0.42 m。主梁按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)，材料:C50;設(shè)計(jì)荷載:公路—Ⅰ級(jí)［6］。

1.1 裂縫特征

5號(hào)～8號(hào)墩右幅箱梁頂板，共發(fā)現(xiàn)324條裂縫，其中橫向315條，占97%;斜向7條，縱向2條，占3%。通長(zhǎng)裂縫164條，占50%，部分裂縫貫通頂板(滲水見(jiàn)圖2)。裂縫長(zhǎng)度在0.4～3.4 m之間，寬度在0.05～0.30 mm之間。其特征如下:

圖1 箱梁結(jié)構(gòu)尺寸圖(單位:cm)

1)5～6號(hào)墩箱梁頂板裂縫左端少，平均間距2.5 m;右端多，平均間距 0.8 m。

2)6～7號(hào)墩箱梁頂板裂縫密集發(fā)育，基本上為頂板通長(zhǎng)裂縫，長(zhǎng)度3.4 m，平均間距0.8 m。

3)7～8號(hào)墩箱頂板梁裂縫右端少，平均間距2.5 m;左端多，平均間距 0.8 m。

4)頂板裂縫從腹板側(cè)開(kāi)始發(fā)育，50%為箱室橫向通長(zhǎng)。

5)箱梁腹板及底板未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫(材料及施工工藝同頂板)。

圖2 箱梁內(nèi)滲水現(xiàn)狀

1.2 施工情況

1)澆筑。原設(shè)計(jì)為懸澆，后改為滿(mǎn)堂支架施工，澆筑方向?yàn)閮啥送虚g，即5號(hào)墩往6號(hào)墩方向，8號(hào)墩往7號(hào)墩方向。分兩次澆筑:先底腹板，再頂板，間隔18 d。底腹板為2011年4月29日澆筑完畢，頂板為2011年5月17日22時(shí)起澆筑，次日8時(shí)澆筑完畢，連續(xù)作業(yè)時(shí)間為10 h。

2)養(yǎng)護(hù)。5月18日氣溫為20℃ ～30℃，養(yǎng)護(hù)時(shí)氣溫較高，且未及時(shí)覆蓋土工布養(yǎng)生，混凝土終凝時(shí)頂板上表面開(kāi)始出現(xiàn)微裂縫。

3)材料。施工單位提供混凝土強(qiáng)度、坍落度等資料符合規(guī)范要求，但未做水化熱絕熱性能試驗(yàn)及混凝土入模溫度測(cè)試。箱梁澆筑時(shí)各工地水泥需求量相當(dāng)大，水泥出窯即通過(guò)散裝罐車(chē)運(yùn)往工地，到工地時(shí)水泥溫度較高，手觸發(fā)燙。

4)滿(mǎn)堂支架。箱梁采用滿(mǎn)堂支架施工，頂板澆筑時(shí)，底板及腹板未張拉，滿(mǎn)堂支架未拆除。支架基礎(chǔ)現(xiàn)澆12 cm混凝土，未發(fā)現(xiàn)明顯沉降及開(kāi)裂。

2 水化熱分析

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

該橋箱梁混凝土澆筑時(shí)未進(jìn)行水化熱實(shí)測(cè)及混凝土力學(xué)參數(shù)資料不全，根據(jù)使用原材料出廠地一致及混凝土配合比相似情況，仿真分析數(shù)據(jù)采用相鄰標(biāo)段箱梁實(shí)測(cè)數(shù)值如表1、表2［7］。

表1 箱梁混凝土力學(xué)參數(shù)

表2 箱梁溫度測(cè)試成果

2.2 模型建立

2.2.1 施工階段劃分

水化熱仿真分析采用MIDAS建模，單箱三室縱向取1 m，橫向取1/2斷面，共1 680個(gè)單元，2 520個(gè)節(jié)點(diǎn)(見(jiàn)圖3)。建立對(duì)稱(chēng)模型有利于減少分析時(shí)間和查看模型中心部位的分析結(jié)果。

階段一:澆筑底腹板，其內(nèi)外表面與空氣對(duì)流熱傳遞;底板考慮為固結(jié)約束。

圖3 單箱三室1/2斷面有限元分析模型

階段二:澆筑頂板，此時(shí)箱室封閉，室內(nèi)空氣溫度逐漸升高，基本與混凝土內(nèi)部溫度變化一致，因此頂板內(nèi)表面考慮為絕熱，僅單元內(nèi)部進(jìn)行熱傳遞，不對(duì)外散熱;頂板外表面與空氣對(duì)流熱傳遞。

2.2.2 仿真分析數(shù)據(jù)取值

1)箱梁混凝土力學(xué)參數(shù)取表1數(shù)值。

2)根據(jù)表2測(cè)試結(jié)果，混凝土入模溫度較環(huán)境溫度高2.2℃ ～7.6℃。澆筑時(shí)環(huán)境溫度為20℃，仿真分析混凝土入模溫度取20℃和30℃兩種情況。

3)根據(jù)表2測(cè)試結(jié)果，混凝土溫升為26℃ ～55.6℃。因測(cè)試時(shí)箱梁混凝土向環(huán)境散熱，最大絕熱溫升要高于55.6℃，仿真分析時(shí)最大絕熱溫升取50℃和70℃兩種情況，放熱系數(shù)取0.605。

4)露天環(huán)境濕度一般為40%，考慮養(yǎng)生情況，環(huán)境濕度取40%和99%兩種情況。

5)鋼模及混凝土暴露表面對(duì)流系數(shù)取12 kcal/(m2·h·℃);混凝土材料比熱取0.25 kcal/(kgf·℃)，熱傳導(dǎo)取2.3 kcal/(m·h·℃)［8］。

2.2.3 計(jì)算結(jié)果

1)溫度裂縫指數(shù)［9］。

韓國(guó)混凝土規(guī)范中使用溫度裂縫指數(shù)(抗拉強(qiáng)度與發(fā)生的溫度應(yīng)力之比)i值預(yù)測(cè)是否發(fā)生裂縫，其裂縫發(fā)生概率如圖4。

① 防止裂縫發(fā)生時(shí):1.5以上;

② 限制裂縫發(fā)生時(shí):1.2～1.5;

③ 限制有害裂縫發(fā)生時(shí):0.7～1.2。

圖4 溫度裂縫指數(shù)

2)計(jì)算結(jié)果。

混凝土表面溫差、收縮/徐變應(yīng)力較內(nèi)部應(yīng)力大，根據(jù)模型對(duì)稱(chēng)性，取關(guān)鍵分析節(jié)點(diǎn)如圖5，計(jì)算結(jié)果如表3。

圖5 關(guān)鍵分析節(jié)點(diǎn)點(diǎn)位圖

表3 關(guān)鍵分析節(jié)點(diǎn)溫度裂縫指數(shù)

從表3可知:

①混凝土入模溫度在20℃，絕熱溫升在50℃時(shí)，箱梁頂板下表面節(jié)點(diǎn)974、992、1005溫度裂縫指數(shù)為0.7 ～0.8，裂縫發(fā)生概率 75% ～85%;頂板上表面節(jié)點(diǎn)845、852、853、1002 溫度裂縫指數(shù)為1.6 ～1.7，溫度裂縫發(fā)生概率5%。

②混凝土入模溫度在20℃，絕熱溫升在70℃時(shí)，箱梁頂板下表面節(jié)點(diǎn)974、992、1005溫度裂縫指數(shù)為0.5 ～0.6，溫度裂縫發(fā)生概率90% ～95%;頂板上表面節(jié)點(diǎn)845、852、853、1002溫度裂縫指數(shù)為1.2～1.4，溫度裂縫發(fā)生概率8% ～25%。

③混凝土入模溫度在30℃，絕熱溫升在50℃時(shí)，箱梁頂板下表面節(jié)點(diǎn)974、992、1005溫度裂縫指數(shù)為0.5 ～0.6，溫度裂縫發(fā)生概率92% ～95%;頂板上表面節(jié)點(diǎn)845、852、853、1002溫度裂縫指數(shù)為1.2～1.4，溫度裂縫發(fā)生概率8% ～25%。

④混凝土入模溫度在30℃，絕熱溫升在70℃時(shí)，箱梁頂板下表面節(jié)點(diǎn)974、992、1005溫度裂縫指數(shù)為0.4 ～0.5，溫度裂縫發(fā)生概率95% ～98%;頂板上表面節(jié)點(diǎn)845、852、853、1002溫度裂縫指數(shù)為0.9～1.3，溫度裂縫發(fā)生概率15% ～60%。

⑤濕度對(duì)裂縫影響不顯著，即養(yǎng)護(hù)不到位影響主要為表面裂縫。

從以上分析可知，混凝土入模溫度高較入模溫度低發(fā)生溫度裂縫概率大。水泥水化熱高較水化熱低發(fā)生溫度裂縫概率大。

3)計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)成果對(duì)比。

計(jì)算裂縫發(fā)生概率大區(qū)域?yàn)橄涫翼敯鍍?nèi)表面、混凝土入模溫度高和水化熱高時(shí)外表面，這與現(xiàn)場(chǎng)裂縫檢測(cè)成果高度吻合(見(jiàn)圖6、圖7)，因此該橋箱梁頂板裂縫主要是由于水泥水化熱引起溫度裂縫。仿真分析溫度云圖如圖6，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)6～7號(hào)墩箱梁頂板裂縫如圖7。

圖6 仿真分析溫度云圖

圖7 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)6～7號(hào)墩箱梁頂板裂縫分布圖

3 裂縫成因分析

混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的成因復(fù)雜，且多為各種因素耦合。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況和MIDAS仿真分析，箱梁裂縫成因主要有溫度、約束與收縮以及它們的耦合作用。

1)溫度作用:混凝土內(nèi)部與外部熱脹冷縮的程度不同，使混凝土表面產(chǎn)生一定的自拉應(yīng)力，當(dāng)自拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度極限時(shí)，混凝土表面就會(huì)產(chǎn)生裂縫。

溫度應(yīng)力引起的原因可分為兩類(lèi):

①自生應(yīng)力:邊界上沒(méi)有任何約束或完全靜止的結(jié)構(gòu)，如果內(nèi)部溫度是非線性分布的，由于結(jié)構(gòu)本身互相約束而出現(xiàn)的溫度應(yīng)力。例如，橋梁墩身，結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)較大，混凝土冷卻時(shí)表面溫度低，內(nèi)部溫度高，在表面出現(xiàn)拉應(yīng)力，在中間出現(xiàn)壓應(yīng)力。

②約束應(yīng)力:結(jié)構(gòu)的全部或部分邊界受到外界的約束，不能自由變形而引起的應(yīng)力。如箱梁頂板混凝土和護(hù)欄混凝土。

這兩種溫度應(yīng)力往往和混凝土的干縮所引起的應(yīng)力共同作用。

本橋箱梁澆筑時(shí)，室內(nèi)空氣不流通，水泥水化產(chǎn)生熱量使室內(nèi)溫度逐漸升高，而室外空氣流通快，混凝土表面溫度較穩(wěn)定，因此頂板內(nèi)外表面溫度差逐漸增加，當(dāng)溫度差超過(guò)一定限值時(shí)，混凝土溫度自應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉能力導(dǎo)致開(kāi)裂。

2)約束作用:澆筑箱梁頂板時(shí)，Ⅱ型腹板已達(dá)到足夠的強(qiáng)度，剛度大，基本上完成了水泥的熱耗散過(guò)程。腹板間距較小(3.4 m)，約束作用大，限制了箱梁頂板混凝土散熱收縮過(guò)程，混凝土易因收縮應(yīng)力而拉裂。隨著溫度的變化和裂紋尖端應(yīng)力的集中，裂縫會(huì)迅速向前發(fā)展。因此右幅箱梁頂板裂縫特征為頂板與腹板結(jié)合處開(kāi)始發(fā)育。

3)收縮作用:混凝土因收縮不均或收縮時(shí)受到外界約束導(dǎo)致混凝土裂縫?；炷羶?nèi)外水分蒸發(fā)程度不同而導(dǎo)致變形不同:混凝土受外部條件的影響，表面水分損失較快，變形較大，內(nèi)部濕度變化較小變形較小，較大的表面干縮變形受到混凝土內(nèi)部約束，產(chǎn)生較大自應(yīng)力而產(chǎn)生裂縫。

右幅箱梁澆筑時(shí)間從晚上22點(diǎn)至次日8點(diǎn)，澆筑順序?yàn)閮啥讼蛑虚g澆筑，養(yǎng)護(hù)時(shí)氣溫變化從20℃到30℃。因此箱梁頂板兩端混凝土在氣溫升高時(shí)已完成終凝，受水份蒸發(fā)影響較小，裂縫較少;中間部分混凝土受水份蒸發(fā)影響較大，裂縫較密集。

4 結(jié)語(yǔ)

薄壁小箱梁頂板澆筑時(shí)，室內(nèi)封閉，空氣不流通，混凝土水化熱不能及時(shí)擴(kuò)散，箱室內(nèi)溫度逐漸升高而引起內(nèi)外溫差過(guò)大。小箱梁澆筑不屬于大體積混凝土施工，施工方案制定時(shí)易忽略其水化熱影響，從而導(dǎo)致混凝土水化熱產(chǎn)生的溫度影響占主導(dǎo)因素，其它因素相互耦合而開(kāi)裂。因此薄壁小箱梁澆筑時(shí)建議如下:①加強(qiáng)箱室內(nèi)通風(fēng);②降低混凝土入模溫度;③水泥過(guò)熟化期后再使用以降低水泥水化熱。

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