桥梁大体积混凝土裂缝预控技术研究

桥梁大体积混凝土裂缝预控技术研究摘要：文章结合国高青兰线泰安至东阿界段高速公路黄河特大桥混凝土的裂缝预控问题，通过钢筋混凝土收缩应力分析，然后利用有限元分析软件Midas/Civil模拟了混凝土内部的温度场与应力场，得出其分布、发展和变化规律，深入地剖析了裂缝形成与发展的主要原因，并提出裂缝控制措施,为如何预防和控制裂缝提供理论依据和指导。关键词：黄河特大桥；混凝土裂缝；有限元分析；温度场；应力场混凝土是一种准脆性多相复合材料，而多相复合体材料内部存在着随时间变化的残余应力，在自发和诱发因素的作用下引起混凝土内部和外部的裂缝[1]。随着高强、高性能混凝土的大力推广应用，混凝土的裂缝问题越来越来严重，故也备受工程界的广泛关注。早龄期混凝土结构在受约束条件下因水化硬化而导致的体积变化(一般是收缩)是混凝土结构早龄期开裂的主要原因[2]。混凝土处于硬化阶段的早期开裂一直是困扰工程界的一个普遍问题。因此，对混凝土开裂机理和防控措施的研究具有重要的理论意义和工程应用价值。1．工程项目概述国高青兰线泰安至东阿界段高速公路黄河特大桥为预应力混凝土连续梁桥，墩柱为54座，墩长11.1m-22.8m；典型主墩墩身为空心墩。典型桥墩（4#）参数，墩身截面尺寸为10×3.5m（横桥向×纵桥向），顺桥向壁厚0.8m，横桥向壁厚1.20m，底部实心段厚度为5.5m,如图1-1所示。墩身采用C50混凝土，配合比如表1-1所示。图1-1典型桥墩（4#）尺寸参数标号混凝土材料用量kg/m3水泥粉煤灰矿粉砂石水外加剂5-10mm10-20mm.C502131191427147253111473.79表1-1.墩身混凝土配合比2.钢筋混凝土结构收缩应力分析2.1钢筋混凝土结构的收缩应力现浇钢筋混凝土结构，在周围外界环境的干燥作用与内部自干燥的共同作用下，混凝土发生收缩变形，这一变形在受到邻位约束或内部自约束的限制下将产生收缩应力，在徐变的作用下，两者共同改变着混凝土内部的应力状态。以下将讨论一般情况下(不论有无外荷载的作用，从任一指定时刻开始)，钢筋混凝土结构在收缩作用下，考虑徐变作用的应力时程分析方法。钢筋可以改善混凝土硬化过程中形成的初始缺陷，减小应力集中对抗裂存在有利的一面，同时钢筋又是一种内约束，它同时也增大了收缩应力，对抗裂不利[3]。2.2收缩受限状态下结构的应力时程分析对于这一单元所受的外荷载可以等效变换为作用在参照点O处的一个等效轴力和等效弯矩，则在时刻，参照点0处的瞬时应变及这一时刻的截面曲率与上述等效荷载之间有如下关系。式中，A为等效截面的面积；B为等效截面对于过0点水平轴的一阶矩；I为等效截面对于，，过0点水平轴的二阶矩；为时刻混凝土的弹性模量。时刻混凝土截面任意点的瞬时应变与应力分别为：时刻钢筋的瞬时应力按下式计算为：式中，为钢筋的弹性模量。这一分析模型具有可拓展性，或者说是具有普遍性，在收缩受限应力的计算中运用叠加原理，在单轴的计算结果上叠加上其余各轴的收缩应力即可计算多维情况，即它还适用于多面干燥的情形。例如考虑x、y、z三轴方向的干燥作用时，每一轴方向上的干燥及自干燥引起的收缩受限应力、、计算过程均同前述的推导过程；而干燥作用下，各项的湿度变化率、、的推导过程与前述的推导过程一致；自干燥作用下，各项的湿度变化率、、也与前述的试验结果相对应。3.桥墩温度应力仿真分析3.1计算参数的选择及有限元模型的建立根据混凝土配合比，墩身混凝土标号为C50，胶凝材料当量值为339kg。本工程所使用的材料以及热特性值如表3-1所示。构件位置物理特性墩身承台比热(kcal/kg℃)0.230.23比重(kgf/m3)24102410热传导率(kcal/mhr)2.32.3对流系数(kcal/m2hr)1212浇筑温度(℃)27-28d抗压强度(kgf/cm2)500500强度进展系数a=0.40，b=0.95-28d弹性模量(kgf/cm2)3.5×1053.4×105热膨胀系数1.0×10-51.0×10-5泊松比0.180.18单位体积水泥含量(kgf/m3)376332.5表3-1计算参数的取值、3.2有限元仿真分析模型的建立国高青兰线泰安至东阿界段高速公路黄河特大桥桥墩其中有28座截面尺寸为9.5m×3.5m。选择具有代表意义的4#桥墩建立有限元模型，分析计算墩身的温度及应力情况。根据承台及墩身的实际尺寸建立有限元模型如图3-1所示。图3-1承台及墩身有限元3.3墩身温度场和应力仿真分析结果3.3.1温度场计算结果墩身温度场计算结果如图3-2及图3-3所示。墩身表面在第132h时温度达到最高为45.2℃；墩身内部在第168h时温度达到最高为65.1℃。图3-2.墩身168h温度场图3-3.墩身168h温度场剖面3.3.2墩身应力计算结果图3-4墩身1056hSIG-XX应力场图3-5墩身下部靠近施工缝位置SIG-XX应力变化图图3-6墩身下部靠近施工缝位置SIG-XX应力比变化图图3-7墩身上部表面SIG-XX应力变化图图3-8墩身上部表面SIG-XX应力比变化图由上述仿真计算结果简要分析如下：如图3-4所示的蓝绿色区域为可能产生裂缝区域,图3-5所示，墩身下部靠近施工缝位置SIG-XX拉应力在浇筑完成后第310h开始接近容许拉应力，此时拉应力比小1.8，如图3-6所示墩身下部靠近施工缝位置可能会产生竖向裂缝，由图3-7可知，墩身上部SIG-XX拉应力始终远小近容许拉应力，拉应力比最小值为2.9，如图3-8所示，因此墩身上部不会产生裂缝。4.桥墩裂缝控制技术措施4.1预制桥墩裂缝产生原因分析本课题所研究预制桥墩裂缝产生原因，主要是混凝土在浇筑完成后，随着龄期的增长，由于干燥、温度变化和水化反应的深入，先浇筑的混凝土结构的体积将持续发生微弱的收缩，且收缩呈现先快后慢的趋势。当混凝土分次浇筑时，前次已浇筑混凝土收缩量要小于后浇筑混凝土收缩量。施工缝上下层混凝土间的嵌固作用将阻碍上下层混凝土自由伸缩，试图使上下层混凝土变形一致，这样，将导致施工缝附近先浇筑混凝土内部产生压应力，后浇筑混凝土内部产生拉应力。也就是说，正是由于龄期差导致了混凝土的收缩速率差，从而导致了混凝土内部积聚的应变能的增加。随着龄期的增长，混凝土应变能达到某一极限时，将会发生能量的释放，从而导致混凝土开裂。4.2从减小混凝土降温收缩方面考虑的控制措施(1)、降低混凝土的灌注温度混凝土灌注温度在条件允许的情况下应尽可能的降低，在气温最高的夏天建议混凝土灌注温度也不要高于28℃。降低混凝土灌注温度，可采用下列方法：①拌和水加冰:拌和水温度每降低1℃，可使混凝土温度降低0.1℃。设加冰的有效系数，加冰的降温效果如表4-1所列。加冰率%20406080100降温（℃）2.595.187.7710.3610.36表4-1冷却水加冰降温效果实际工程中，加冰率很少能够达到100%，通常不超过80%。本项目加冰率建议控制在50%以上。②降低骨料温度:石子和砂子的温度每降低1℃，可分别使混凝土温度降低出机温度约可降低0.44℃和0.31℃。(2)、靠近施工缝位置布置冷却水管仅在后浇筑混凝土内部靠近施工缝2m左右位置布置冷却水管。混凝土内部温度高峰过后，温度开始下降时停止通冷却水。(3)、混凝土的保温刚浇筑的混凝土强度低、抵抗变形能力小，如遇到不利的温湿度条件，其表面容易发生有害的冷缩和干缩裂缝。保温的目的是减小混凝土表面与内部温差及表面混凝土温度梯度，防止表面裂缝的发生。另外，保温可减慢混凝土内部温度的降低速率，充分发挥徐变作用，来达到减少裂缝的目的。（4）、延长初凝时间适当使用缓凝剂，延长初凝时间。目前已经使用将初凝时间从12小时延长至14小时。4.3从减小混凝土自生收缩方面考虑的控制措施福州大学陈宝春[5]等学者研究高强度混凝土为了降低收缩，采用内养护、添加膨胀剂、减缩剂与粗骨料等措施。（1）、膨胀剂补偿混凝土自生收缩从各种膨胀剂的抗裂原理来说，基本上都是在水泥水化和硬化的过程中产生大量的钙矾石晶体，使水泥产生体积微膨胀[4]，从而使混凝土产生微膨胀性。混凝土的自由膨胀率是随着膨胀剂掺量的增大而增大的。当掺量不足或膨胀剂的膨胀率太小时，产生的钙矾石晶体太少，所产生的膨胀率非常小，补偿混凝土收缩的能力远远不够，混凝土剩余的收缩变形远大于混凝土的极限延伸率，不能阻止混凝土的开裂，只有生成的钙矾石晶体较多时，混凝土才会产生较好的膨胀性能。（2）减缩剂减小混凝土自生收缩减缩剂通过降低混凝土毛细孔溶液的表面张力达到降低毛细孔力的作用，从而降低了混凝土的干燥收缩和自收缩，从根本上减小了混凝土产生自收缩，并将孔隙细化，没有明显的原生裂纹出现，使混凝土的结构更为致密。在自然干燥的条件下，掺入减缩剂的混凝土表面甚至可以没有任何可见裂缝出现；在风吹的条件下，可使初裂时间延迟，裂缝数量与总长度减小，最大裂缝宽度减小，扩展速率减慢，甚至可以杜绝贯穿性裂缝的出现。4.4从施工方面考虑的裂缝控制措施（1）、改进搅拌工艺为了进一步提高混凝土质量，可采用二次投料的砂浆裹石或净浆裹石搅拌新工艺。“裹砂法”，也称为二次投料法：在搅拌的混凝土时，改变以往的投料程序，采取先把水、水泥和砂拌和后，再投放石子进行搅拌的新方法。这种搅拌工艺的主要优点是无泌水现象，混凝土上下层强度差减少，可有效地防止水分向石子与水泥砂浆面的集中，使硬化后的界面过渡层的结构致密、粘结加强,从而使混凝土强度提高10%左右[6]，也提高了混凝土的抗拉强度和极限拉伸值。（2）、混凝土的浇筑与二次振捣对浇筑后的混凝土进行二次振捣，能排除混凝土因泌水在粗骨料、水平钢筋下部生成的水分和空隙，提高混凝土与钢筋的握裹力，防止因混凝土沉落而出现的裂缝，减少内部微裂缝，增加混凝土密实度，使混凝土的抗拉强度提高10%～20%左右，从而提高抗裂性。（3）、充分保湿养护混凝土的振捣和养护质量对混凝土收缩裂缝的产生也有很大影响，是混凝土施工过程中收缩和温度变形裂缝控制不可忽视的一点[7]。混凝土收缩受环境相对湿度影响显著，环境相对湿度越低，其干缩值越大。早期保水养护不足对所有混凝土的强度发展和耐久性都有不利的影响。5.结论本文在理论分析的基础上，研究了预制桥墩早期裂缝产生的原因和控制技术措施，主要得到以下结论：（1）、预制桥墩产生早期裂缝的根本原因是施工缝上下层混凝土是由于浇筑龄期的不同，下层混凝土限制了上层混凝土的收缩；（2）、控制由于混凝土浇筑龄期差生产的早期裂缝，可从两方面着手：一是减小混凝土的降温收缩；二是减小混凝土的自生收缩；（3）、减小混凝土的降温收缩，除常规措施外，还可在后浇筑混凝土内部靠近施工缝附近位置布置（或加密布置）冷却水管的方法。（4）、只要正确分析裂缝产生的原因，采取有针对性的裂缝控制技术措施，一定可以将裂缝的危害程度降到最低。参考文献:[1]孙跃生、仲朝明等，混凝土裂缝控制中的材料选择，北京:化学工业出版社，2009[2]王甲春，阎培渝，硅酸盐水泥一粉煤灰复合胶凝材料体系的干燥收缩裂缝分析，沈阳建筑大学学报:自然科学版，2005[3]王纪跃，钱晓倩.钢筋对混凝土收缩应力的影响.混凝土与水泥制品[J]，2004（6）：3-6.[4]补偿收缩混凝土应用技术规程（JGJ/T178-2009）[M]，中国建筑工业出版社，2009.[5]陈宝春，李聪，黄伟，安明喆，韩松，丁庆军.超高性能混凝土收缩综述.交通运输工程学报[J]，2018（1）：13-28.[6]刘茉莉，杨万斌，刘永清，李帅，李凯，白金剑.硅灰裹砂法对混凝土性能的影响研究.混凝土[J]，2011（6）：149-150.[7]汤天明,汪帮平，邵文斌.宽幅预应力混凝土斜拉桥主梁裂缝的施工控制[J].交通科技，2016,(4):36-39.ResearchonPre-controlTechnologyofBridgeMassConcreteCracksAbstract:WiththeproblemofconcretecrackprecontrolofYellowRiverBridgeonFreewayfromTai'antoDongaSectionofGuogaoQinglanLine.Basedontheshrinkagestressanalysisofreinforcedconcrete,thetemperatureandstressfieldsinconcretearesimulatedbyusingthefiniteelementanalysissoftwareMidas/Civil.Thedistribution,developmentandchangelawof