拉薩納金大橋混凝土溫度應(yīng)力控制及裂縫防治技術(shù)

摘 要：以拉薩市納金矮塔斜拉橋?yàn)楸尘埃槍?duì)底板混凝土在施工過(guò)程中出現(xiàn)縱向裂縫的現(xiàn)象，采用Midas FEA實(shí)體計(jì)算軟件，從施工工藝、底板縱向裂縫分布特征以及貫通情況，分析了底板縱向裂縫的原因，并提出解決裂縫的防治措施。

關(guān)鍵詞：拉薩納金大橋；混凝土；溫度；裂縫；控制

1 溫度應(yīng)力與裂縫控制

溫度是表征物體冷熱程度的物理量。大體積混凝土澆筑后，水泥在水化過(guò)程中產(chǎn)生大量水化熱，使混凝土溫度上升，由于混凝土表面散熱快，內(nèi)部散熱慢，形成混凝土中心溫度高，表面溫度低，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，這種由于溫度的升降變化而引起的應(yīng)力就稱(chēng)為溫度應(yīng)力。混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力變化規(guī)律與其它結(jié)構(gòu)相比有一定的差別，產(chǎn)生這些差別的主要原因主要有兩個(gè)方面：一是混凝土的彈性模量是隨著齡期的變化而變化的：二是因?yàn)榛炷恋男熳兊挠绊憽９こ虒?shí)際中，混凝土的溫度應(yīng)力分析比較復(fù)雜，它要受結(jié)構(gòu)形式、氣候條件、施工工藝、材料特性以及使用條件等多種因素的影響。

一般來(lái)說(shuō)，裂縫是指固體材料中的某種不連續(xù)現(xiàn)象，在學(xué)術(shù)上屬于結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度理論范疇。近代科學(xué)關(guān)于混凝土強(qiáng)度的微觀研究以及大量的工作實(shí)踐所提供的經(jīng)驗(yàn)表明：裂縫是不可避免的，是一種人們可以接受的材料特征。如建筑物抗裂要求過(guò)嚴(yán)，必將付出巨大的經(jīng)濟(jì)代價(jià)；科學(xué)的要求應(yīng)是將其有害程度控制在允許的范圍內(nèi)，有害與無(wú)害裂縫的界限是由生產(chǎn)和生活使用功能以及環(huán)境條件決定的。這些關(guān)于裂縫的預(yù)測(cè)和處理工作，統(tǒng)稱(chēng)為建筑物的“裂縫控制”。

2 拉薩納金大橋溫度與裂縫控制

納金大橋設(shè)計(jì)為矮塔斜拉橋，位于海拔3650米的拉薩市，屬高原溫帶半干旱大陸性氣候，全年多晴朗天氣，降雨稀少，常年氣溫偏低，日溫差大，平均溫差達(dá)到14.1℃。日照充分，風(fēng)力較大。主橋?yàn)椋?0+117+117+70m）三跨矮塔斜拉橋，橋?qū)?3m，采用單箱五室斷面，主體結(jié)構(gòu)為C50高性能混凝土。0#梁段采用支架現(xiàn)澆，1-11#梁段采用掛籃懸臂施工。其中1#塊長(zhǎng)4米，底板寬23.351米，底板厚0.644米，腹板厚0.75米，澆筑方量為163.4m3。

某市一座類(lèi)似橋梁在澆筑完3個(gè)主墩1#梁段7天左右后均發(fā)現(xiàn)中軸線位置出現(xiàn)一條縱向細(xì)小裂紋，掛籃前移后，底板也出現(xiàn)了類(lèi)似縱向裂紋，寬度在0.1mm-0.12mm左右。見(jiàn)圖3。

3 裂紋成因初步分析

根據(jù)裂紋產(chǎn)生的部位、走向、寬度等特征，初步認(rèn)為有如下幾種原因。

（1）0#塊澆筑與1#塊澆筑時(shí)間間隔太長(zhǎng)，相距100多天，0#塊混凝土收縮徐變基本完成，對(duì)1#塊新澆混凝土有約束作用。

（2）當(dāng)?shù)貢円箿夭畲螅?#塊澆筑期間，白天溫度達(dá)到18℃，但晚上溫度能達(dá)到零下2℃，在混凝土水化熱后期，底板內(nèi)外溫差過(guò)大使混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力。

（3）高原地區(qū)，對(duì)混凝土特性要求高，施工方采用高性能混凝土，水化熱過(guò)大，混凝土在高溫狀態(tài)下溫度下降會(huì)發(fā)生收縮，但受到與其接觸的已澆筑混凝土的約束而產(chǎn)生拉應(yīng)力。根據(jù)監(jiān)控單位在1#塊埋設(shè)的溫度傳感器，測(cè)出混凝土澆筑后底板平均最高溫度達(dá)到60℃。

（4）箱梁寬度為底板寬度23.351米，單箱五室，腹板對(duì)底板的收縮有約束作用。

4 水化熱數(shù)據(jù)分析

4.1 水化熱溫度分析

24小時(shí)、36小時(shí)、72小時(shí)、150小時(shí)1#塊水化熱溫度場(chǎng)等值線分別如下圖4。24小時(shí)工況時(shí)，水化熱溫度達(dá)到62.8℃，分布在底板與腹板交匯處內(nèi)部，36小時(shí)后開(kāi)始降溫，到150小時(shí)基本與達(dá)到環(huán)境溫度。

4.2 水化熱橫向應(yīng)力分析

36小時(shí)、150小時(shí)1#塊橫向應(yīng)力云圖如下圖5。混凝土澆筑初期因混凝土內(nèi)部溫度升高發(fā)生膨脹，但表面混凝土隨環(huán)境溫度的變化，下降較快，產(chǎn)生表面拉應(yīng)力，最大為3.3MPa。后期降溫時(shí)，因混凝土降溫收縮，底板拉應(yīng)力開(kāi)始變大，在150小時(shí)時(shí)，底板中軸線位置拉應(yīng)力達(dá)到3.0MPa。

4.3 水化熱裂縫指數(shù)分析

5 分析

通過(guò)計(jì)算可知如下結(jié)論：

（1）由計(jì)算所得的溫度與監(jiān)控單位實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，模擬過(guò)程中環(huán)境溫度采用正弦曲線，基本與實(shí)際環(huán)境吻合，最高溫度出現(xiàn)在澆筑后24小時(shí)左右。

（2）混凝土澆筑初期，混凝土內(nèi)部升溫膨脹，使混凝土表面容易產(chǎn)生裂縫，因此在施工過(guò)程必須加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)。

（3）混凝土澆筑后期，箱梁底板、頂板橫向拉應(yīng)力逐漸增大，本橋?qū)賹挊颍矣捎诟拱宓募s束，頂、底板橫向應(yīng)力在150小時(shí)左右，水化熱應(yīng)力超過(guò)允許應(yīng)力，容易產(chǎn)生裂縫，與現(xiàn)場(chǎng)裂縫基本吻合。

（4）矮塔斜拉橋雖然可以降低梁高，但支點(diǎn)附近底板厚度隨跨徑的增大而增大，水化熱比較明顯，特別對(duì)于寬橋，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要重視水化熱的作用，可適當(dāng)增大底板橫向配筋率。

（5）懸臂澆筑一般在0#塊澆筑后，一般需要安裝掛籃以及預(yù)壓工作，1#塊澆筑間隔時(shí)間長(zhǎng)，新老混凝土收縮徐變不一致，施工時(shí)盡量?jī)?yōu)化工序，縮短澆筑間隔時(shí)間。

6 應(yīng)用措施效果

6.1 在底板增設(shè)抗拉桿和防裂鋼筋。抗拉桿采用20#槽鋼，目的是治止1#塊縱向裂縫的繼續(xù)發(fā)展；防裂鋼筋采用Ф20螺紋鋼，防治底板表面裂縫的產(chǎn)生。

6.2 箱室腹板、端模及倒角模板加固必須牢固。腹板及倒角模板要采取即拉又撐的方法，倒角模板與前塊段砼要貼合密實(shí)牢固；端模要采取角鋼或>20mm的鋼筋橫拉且密度不小于30cm一道。

6.3 采用座地混凝土泵車(chē)澆筑混凝土?xí)r泵管要統(tǒng)一布置在前一塊段的混凝土上，接頭位置在兩片三角梁中間，配備足夠長(zhǎng)的軟管，其軟管長(zhǎng)度需要保證同時(shí)能澆筑兩個(gè)底板和兩個(gè)腹板，最好配備一個(gè)三通兩閥的接頭。

6.4 所有底板、腹板均分兩層或兩層以上澆筑，并由端部到根部進(jìn)行澆筑，確保混凝土振搗密實(shí)。

6.5 底板設(shè)置“后澆帶”，寬度不小于50cm，深度不小于35cm。待腹板混凝土澆筑完成后，由天窗下放混凝土，一次澆筑完成后澆帶，最后要注意后澆帶的二次收壓面。

6.6 底板、腹板的混凝土坍落度要做特殊設(shè)計(jì)，要求底板比頂板混凝土坍落度略低，便于腹板砼澆筑。

6.7 頂板混凝土表面嚴(yán)格進(jìn)行二次收漿，接縫處振搗，拍壓密實(shí)。養(yǎng)護(hù)劑到場(chǎng)后，派專(zhuān)人在混凝土初凝前及時(shí)噴灑。

6.8 新老梁段底板、頂板和腹板接縫處，澆筑混凝土之前，必須用水濕潤(rùn)鑿毛面，保證新老混凝土的良好銜接。

6.9 繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)混凝土內(nèi)部溫度的監(jiān)控，同時(shí)加強(qiáng)灑水養(yǎng)生控制，確保混凝土表面長(zhǎng)期濕潤(rùn)，養(yǎng)生天數(shù)確保在7天。

6.10 優(yōu)化施工工序，盡量減少兩個(gè)塊段施工的間隔時(shí)間。

6.11 嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙推進(jìn)工序，三向預(yù)應(yīng)力結(jié)束后，安裝斜拉索，然后進(jìn)行掛籃前移。避免掛籃自身對(duì)箱梁的影響。

通過(guò)以上措施，箱梁底板裂縫的問(wèn)題得到了根本的解決。各梁段頂、底板沒(méi)有任何裂縫發(fā)生。

同樣，嚴(yán)格執(zhí)行上述措施后，箱梁其余部位：腹板、頂板、橫隔梁等，也沒(méi)有產(chǎn)生裂紋。因此，注重養(yǎng)生質(zhì)量和時(shí)間，使之與混凝土水化熱的時(shí)間相同，能有效消除混凝土表面裂縫。同時(shí)嚴(yán)格按照既定工序施工，確保施工質(zhì)量，也能有效避免裂縫的產(chǎn)生。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：恩艷芳（1976，7-），女，山西省繁峙縣人，現(xiàn)職稱(chēng)：工程師，學(xué)歷：本科。