大截面混凝土沉井早期裂縫預防措施現場試驗研究

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

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大截面混凝土沉井早期裂縫預防措施現場試驗研究

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

摘要:多數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展，但至今還未被業界完全掌握。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，繼而組織現場試驗，分析各因素對該項目現澆混凝土收縮的影響。研究結果表明:控制溫度梯度的工程措施對該項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收縮應力過大的現象;后澆段有助于釋放由于混凝土收縮產生的拉應力，進而避免收縮裂縫的產生。研究成果直接用于指導滬通大橋大截面沉井現場施工，并可為今后類似工程提供數據參考。

關鍵詞:滬通長江大橋大截面混凝土沉井早期裂縫防裂措施現場試驗

混凝土早期開裂是指結構在施工期間，荷載尚未完全施加時，部分現澆混凝土在拆模或養護過程中出現的裂縫。研究表明，對于混凝土早期裂縫，荷載并不是導致其產生的主要原因，90%以上的早期裂縫是由于混凝土收縮引起，尤其是細長型大截面混凝土結構，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展，但因收縮現象的復雜性，至今還未被業界完全掌握［1-2］。本文通過現場試驗，從現場施工的角度分析不同工程措施及工藝在預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模型

1.1沉井工程概況

滬通長江大橋主塔28#墩基礎采用倒圓角的矩形沉井基礎方案。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，底節及頂節高8 m，其余每節高約6 m。沉井平面見圖1。

圖1　沉井平面(單位:cm)

1.2混凝土收縮力學模型

現有研究成果表明［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算分析對象。隔墻相交的地方定義為A構件，兩個A構件之間的隔墻定義為B構件，如圖2所示。因A構件為軸對稱且為對稱受力，可進一步將B構件兩端的A構件簡化為固定端，成為B構件的約束。

圖2　混凝土收縮分析力學模型(單位:cm)

根據混凝土極限拉伸試驗可知，低強度等級混凝土的極限拉伸應變可以按60×10－6來估計［6］。對于本工點采用的C40混凝土，在現場條件下極限拉伸應變可以100×10－6為限。

在上述簡化條件下，結合現有研究成果［7］計算可知: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項全部相加，然后減去混凝土的極限拉伸應變，得到收縮應變為(300～720)×10－6，結合A，B構件的幾何尺寸，可得到A構件的裂縫寬度合計為0～1.37 mm，B構件沿軸向的裂縫寬度合計為0～3.6 mm。

因A構件為軸對稱構件，其裂縫應為隨機且均布的微裂縫，B構件為細長結構，其裂縫產生的位置為結構變截面處，即A構件和B構件的銜接部位。

2　預防開裂的工程措施

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

2.1后澆段

在混凝土沉井增設后澆段17處，橫橋向7處，縱橋向10處，共將沉井整個斷面分割為6個獨立的收縮分塊。相鄰兩節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，后澆段結構平面圖如圖3所示。

圖3　后澆段結構平面(單位:cm)

后澆段設置可以給混凝土充足的收縮空間和時間，使其收縮應力得到充分釋放，待各分塊收縮充分后再進行后澆段的澆筑。

2.2抗裂鋼筋

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

圖4　抗裂鋼筋設計示意

為滿足抗裂鋼筋設計要求，方便現場施工，需挪動原設計水平向鋼筋的位置，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計水平向鋼筋，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部預埋冷卻水管，在混凝土澆筑完成1～2 d后，開始循環供水冷卻。

冷卻水管的布置，可使現澆混凝土的水化熱隨時轉移，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　現場試驗及數據分析

現場試驗共分為兩個階段。第一階段試驗中考察所有預防開裂的工程措施，第二階段針對試驗中影響較為明顯的措施進行對比分析。

3.1第一階段試驗

3.1.1試驗方案

第一階段試驗將沉井分成三個監測區段，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段設置通長抗裂鋼筋;中間段按現行通常方法施工混凝土沉井區段，并在隔墻與井壁、隔墻與隔墻交叉點內設置φ50 mm、底口聯通的冷卻鋼管;下游段在沉井隔墻相交的區段設置通長抗裂鋼筋的基礎上，在模板內外側貼厚3 cm的保溫泡沫板對混凝土進行保溫。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　第一階段試驗傳感器布置

3.1.2數據分析

各試驗區段混凝土應變平均值對比如圖6。

圖6　各試驗區段混凝土應變平均值對比

由圖6可以看出:

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

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

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

圖7為各試驗區段混凝土內部溫度平均值對比結果，其平均值差異不明顯，總體在相近范圍內。只是在澆筑混凝土4～8 d期間，下游段混凝土內部溫度下降較其他兩區段的慢，但之后溫度基本維持在相同水平上。可以推論，溫度效應對這三種區段的影響基本相同。

圖7　各試驗區段溫度平均值對比

3.2第二階段試驗

3.2.1試驗方案

從第一階段試驗可知，溫降收縮并不是導致沉井現澆混凝土產生收縮應力的主要因素。因此第二階段試驗的分析重點為后澆段和抗裂鋼筋的作用。現場試驗依舊將沉井分成三個監測區段。第二階段試驗傳感器布置如圖8所示，每個試驗監測點布置混凝土應變計和鋼筋計各1個。各段采取的抗裂措施:上游段在沉井隔墻相交的區段設置通長抗裂鋼筋;中間段按現行通常方法施工;下游段在沉井隔墻相交的區段設置通長抗裂鋼筋。

圖8　第二階段試驗傳感器布置

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數據分析

各試驗區段混凝土應變及鋼筋應力平均值對比如圖9、圖10。圖中H2-2和G2-2分別為圖8中2號監測點的混凝土和鋼筋應變計。

圖9　各試驗區段混凝土應變平均值對比

圖10各試驗區段鋼筋應力平均值對比

由圖9、圖10可知，上游段(后澆帶+抗裂鋼筋)混凝土應變的平均值小于中間段(后澆帶)，上游段鋼筋壓應力的平均值小于中間段。混凝土收縮對測點處的鋼筋產生軸向壓應力，設置通長布置的抗裂鋼筋后，鋼筋上均勻分擔了混凝土收縮產生的拉應力，因此上游段鋼筋軸向壓應力比中間段小，同時因為壓應力分擔均勻，避免了應力集中，使混凝土的拉應變也略有減小，上游段的混凝土拉應變也略小于中間段。

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

4　結論

由上述現場試驗及數據分析可得以下結論:

1)溫度效應對三個試驗區段的影響基本相同，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)設置通長抗裂鋼筋可使混凝土收縮應力沿鋼筋軸向均勻分布，避免在變截面處出現收縮而導致拉應力集中，可顯著提高混凝土的抗裂性能;

3)設置后澆段可使后澆帶兩側一定范圍內的混凝土自由變形，釋放由于混凝土收縮產生的拉應力，進而可避免收縮裂縫產生。

參考文獻

［1］BAZANT Z P.Prediction of Concrete Creep and Shrinkage:Past，Present and Future［J］.Nuclear Engineering and Design，2001，203(1):27-38.

［2］蔣正武，孫振，王新友，等.國外混凝土自收縮研究進展評述［J］.混凝土，2001(4):30-33.

［3］覃維祖.混凝土的收縮、開裂及其評價與防治［J］.混凝土，2001(7):3-5.

［4］楊文武，錢覺時，范英儒.混凝土早期收縮性能試驗研究［J］.深圳大學學報(理工版)，2009，26(1):81-85.

［5］韓素芳，耿維恕.鋼筋混凝土結構裂縫控制指南［M］.北京:化學工業出版社，2006.

［6］梁潤.混凝土的極限拉伸與變換彈性體的極限應變［J］.武漢水利電力學院學報，1986(3):20-26.

［7］彭全敏.超長混凝土結構收縮裂縫控制研究［D］.天津:天津大學，2012.

(責任審編孟慶伶)

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。

基金項目:中國鐵路總公司科技研究開發計劃(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

文獻標識碼: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。