崇明越江大桥大体积混凝土温度裂缝成因分析与控制.pdf

公路 交通技术2 0 1 4年 2月 第 1 期T e c h n o l o g y o f H i g h w a y a n d T r a n s p o r t F e b 2 0 1 4 N o 1 崇明越江大桥大体积混凝土温度裂缝成因分析与控制 杨林鹏 ( 林同梭国际工程咨询( 中国) 有限公司， 重庆4 0 1 1 2 1 ) 摘要： 上海崇明越江大桥为主跨 7 3 0 m斜拉桥 ， 其塔高2 0 8 7 2 2 m， 塔柱混凝土为C 5 0高性能海工混凝土， 具有弹 性模量高、 收缩徐变大、 养护要求高等特点。通过有限元模拟， 分析各种 因素对大体积混凝土温度裂缝的影响， 为 大体积混凝土的施 工控制提供借鉴 。 关键词： 大体积混凝土； 裂缝； 成因分析； 裂缝控制 文章编号： 1 0 0 9 6 4 7 7 ( 2 0 1 4 ) 0 1 0 0 8 8 0 3 中图分类号： U 4 4 5 文献标识码： B An a ly s is a n d Co n t r o l o f Re a s o n s o f T e mp e r a t u r e Cr a c k s i n Ma s s Co n c r e t e f o r Ch o n g mi n g Cr o s s - r iv e r Br i d g e YANG Li n pe n g Abs t r a c t ：S ha n g h a i Ch o n g mi n g Cr o s s -riv e r Brid g e i s a c a bl e -s t a y e d b rid g e a t ma i n s p a n o f 73 0 m a nd t o we r he i g ht o f 2 0 8 72 2 m ，a nd t o we r c o l u mns a r e ma d e o f C5 0 h i g h-p e r f o r ma n c e ma r i n e c o nc r e t e wi t h f e a t u r e s o f h i g h e l a s t i c mo d u l us ，l a r g e s h rin k a g e a n d c r e e p a n d hi g h r e q u i r e me n t f o r ma i n t e n a n c e Th i s p a p e r b a s e d o n f i n i t e e l e me n t s i mu l a t i o n a na l y z e s i n f l u e n c e s o f v a r i o us f a c t o r s o n t e mpe r a t u r e c r a c ks i n ma s s c o n c r e t e t o p r o v i de a r e f e r e n c e f o r c o n s t r uc t i o n c o n t r o l o f ma s s c o n c r e t e Ke y wor ds ：ma s s c o nc r e t e；c r a c k；a n aly s i s o f r e a s o n s；c r a c k c o n t r o l 裂缝是所有大体积混凝土的通病 ， 裂缝处理质 量直接影响混凝土结构的耐久性能 ， 因此 ， 对裂缝 的 有效评估 、 处 理是混凝 土施 工不可缺少 的一部分。 裂缝类型主要包括 ： 1 )荷载作用产生的裂缝 ； 2 )混 凝土塑性收缩引起的裂缝； 3 )混凝土塑性沉降引起 的裂缝； 4 )混凝土水化热和温度裂缝 J 。混凝土 早期裂缝的生成 ， 通常不是结构荷载和施工荷载直 接作用的结果， 而主要是由温度变形和收缩变形等 间接作用所致。如果混凝土因水泥水化热导致内外 温差过大 ， 所引起的温度应力超过混凝土早期抗拉强 度时， 就会形成裂缝 。混凝土因外部温度骤降会引 起体积收缩 ， 如这种收缩受到外部 ( 岩基 ) 或内部( 大 量钢筋) 的约束 ， 就可能在承载前产生严重裂缝。 本文 以上海崇明越江大桥主塔下塔柱在施工过 程中所出现的裂缝为例， 通过有限元计算， 分析各种 不同因素对温度裂缝的影响。 1 有限元分析模型 该桥为主跨 7 3 0 m斜拉桥 ， 其 主塔为“ 人” 字形 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 8 1 5 作者 简介： 杨林鹏 ( 1 9 8 5 一 ) ， 男 ， 山西省运城市人 ， 硕士 ， 工程 师 结构， 下塔柱采用 C 5 0高性能海工混凝土， 其具有 如下特点： 1 )钢筋密集。采用双排双主筋形式， 主 筋净间距小( 7 5 c m) ， 浇筑混凝土时不利于混凝土 流动； 2 )混凝土保护层较厚。为避免钢筋被海水锈 蚀 ， 混凝土保护层厚度取 6 c m， 而混凝土厚度大 ， 就 容易出现混凝土收缩裂缝 。 本次分析采用 A N S Y S有限元分析软件 ， 并采用 非线性开裂单元 S O L I D 6 5 l 5 建立模型。S O L I D 6 5 是 适用于混凝土、 岩石等抗压能力远大于抗拉能力的 非均匀材料单元 ， 可 以模拟混凝土 的加拉裂和压溃 现象 。按照设计 图纸和实 际施 工状态_ 6 一 ， 取第 一 浇筑阶段建立分析模型， 如图 1 所示。 图 1 模型断面 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年 第 1 期 杨林鹏 ： 崇明越江大桥 大体积混凝土温度裂缝成 因分析与控制 8 9 2 主要分析内容 1 )模拟混凝土浇筑过程 ， 分析混凝土水化热影 响。 2 )按照实际施工状态进行分析 ， 模拟施工 中裂 缝 的产生情况。其 中保护层厚度取 7 c m， 钢筋按设 计配筋 图建模 ， 塔柱第一节段和塔座 同时浇筑并按 实际高度 3 0 c m建模 。 3 )改变塔柱第一节段和塔座 同时浇筑部分 的 高度 ， 分别取 0 、 6 0 、 1 2 0 c m高并分析其影响。 4 )改变混凝土保护层厚度 ， 除原来 的 7 c m外 ， 再分别取 3 、 1 5 c m并分析其影响。 5 )在 7 c m原保 护层厚度基础上 ， 改变对抗裂 起主要作用 的横 向钢筋的直径 ， 分别取横筋直径 8 、 l 6 、 2 5 m m来模拟钢筋配筋率变化的影响。 上述2 ) 一 5 ) 分析中， 按照结构力学计算材料收 缩方法， 以混凝土降温形式来模拟研究混凝土箱梁 的温度收缩效应 。 结构水化热完成后混凝土会逐渐降温， 混凝土 发生早期温度收缩 ， 并会产生较大收缩应力 。混凝 土正常收缩将使各方 向尺寸减少 0 0 2 5 ， 相 当于 混凝土均匀降温 2 5 ； 而混凝土收缩是一种随时间 增长而发生 的变形 ， 结硬 初期收缩 变形发展很 快 ， 2周完成全部收缩变形 的2 5 ， 1个月可完成 5 0 ， 3个月后增长缓慢 ， 一般 2年后达到稳定 。因此 ， 按 照上海崇 明越江大桥 桥塔每节段 实际施工 持续时 间， 采用完成收缩终值 的 3 0 ， 即按 7 的混凝土 均匀降温来模拟混凝土箱梁的温度收缩效应 。 3 有限元分析结果 3 1 塔柱和塔座 同时浇筑段 高度不 同对裂缝的影 响 如果混凝土浇筑时间不同 ， 就会引起混凝土不 均匀收缩裂缝。本文通过改变崇明越江大桥塔柱第 一 节段和塔座同时浇筑部分 的高度 ， 来分析其对混 凝土收缩裂缝 的影响 ， 高度分别取为 0 、 6 0 、 1 2 0 c m。 根据规范 ， 用混凝土 的均匀降温来模拟混凝土收缩 裂缝 的影响。下面是采用收缩终值 的 3 0 ， 即均匀 降温7来进行分析。 裂缝分析涉及到高度的非 线性 ， 有限元 分析 中 影响因素复杂， 要完全定量分析裂缝的形状、 尺寸等 是不现实的， 故只能得出定性分析 和一定程度上的 定量分析结果。 为 了清楚显示裂缝 ， 只取混凝土保护层来看裂 缝分布， 主塔第一节段和塔座同时浇筑部分高度不 同时 ， 裂缝分布如图 2所示 。 ( a )主塔第一节段高 0 c m ( b )主塔第一节段高 6 0 e m 一 一n ( c )主塔第一节段高 1 2 0 e m 图 2 裂 缝分布 由图 2可知 ， 当主塔第一节段和塔座 同时浇筑 部分高度从 0 c m变化到 1 2 0 c m 时， 裂缝 的集 中程 度有所改善， 分布区域有所减少。因此建议提高阶 段浇筑混凝土的连续性 ， 让先后浇筑 的混凝 土可以 更好地共同收缩 ， 可 以有效减少裂缝 的出现。 3 2 混凝土保护层厚度不 同对裂缝的影响 改变混凝土保护层厚度来分析其对裂缝的影响， 保护层厚度分别取 3 、 7 、 1 5 c m。为了清楚显示裂缝 ， 只截取部分保护层来观察其分布 ， 如图 3所示。 ( a )3 c m厚保护层 ( b )7 c m厚保护层 ( c ) 1 5 e m厚保护层 图3 裂缝分布 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 公路交通技术 2 0 1 4生 由图 3可知 ， 随着混凝土保护层厚度逐渐增加 ， 温度收缩裂缝在深度 、 高度和宽度方向均有所增加。 由此得出结论： 在施工许可条件下， 混凝土保护层厚 度应尽量取薄。 3 3 配筋率不同对裂缝的影响 在 7 c m原保护层厚度基础上 ， 改变对抗裂起主 要作用的横向钢筋的直径来模拟钢筋配筋率变化的 影响， 横筋直径分别取 8 、 1 6、 2 5 mm。同样 ， 为了清 楚显示裂缝 ， 只截取部分保护层来观察裂缝分布， 如 图 4所示 。 ( a )配筋率较小时 ( b )配筋率增大时 ( c )配筋率最大时 图 4裂缝分布 由于钢筋过多， 本次分析要想分析钢筋和混凝 土之间的粘结滑移是不现实的， 故本文只能定性地 分析配筋率对裂缝的影响。 由图4可知 ， 随着横筋配筋率 的增大 ， 在保护层 高度方向裂缝集 中程度有 所改善 ， 宽度方 向裂缝分 布区域并无太大变化 。由此可见 ， 横筋配筋率 的改 变对于裂缝的产生有一定改善作用， 但不显著， 而保 护层 附近实际配筋率 已经很大 ， 增大配筋率有一定 困难。 4 结论 通过本文有限元分析可知 ， 塔柱裂缝 与主塔第 一 节段和塔座 同时浇筑部分 的高度 、 混凝土保护层 厚度 以及钢筋配筋率有关 ， 可以得到以下结论。 1 )混凝土收缩徐变是形成混凝土保 护层 开裂 的原因之一。提高混凝土阶段浇筑的连续性 ， 让先 后浇筑的混凝土可 以更好地共 同收缩 ， 可 以有效减 少裂缝。 2 )混凝土保护层厚度逐渐加厚 ， 温度收缩裂缝 会在深度 、 高度和宽度方向增加 ， 故混凝土保护层不 应过厚 。 3 ) 横筋配筋率的改变对于裂缝的产生有一定 程度 的改善 ， 但效果不明显。 4 )以下措施也可有效控制温度裂缝的产生 。 ( 1 )延长混凝土拆模时间。 延长混凝土拆模 时间与施工进度是相对立 的， 冬季施工时， 当遇到恶劣气候或气温较低时， 适 当延 长混凝土拆模时间以减少混凝土表层收缩裂缝 的产 生也是 必要 的 。 ( 2 )合理选择拆模时间。 施工过程中， 拆模时混凝土表层温度较高， 与外 界温度相差较大 ， 而拆模 过程 中混凝土保温措施往 往又难以到位 ， 因此混凝土拆模应尽量在 白天温度 较高时进行。 ( 3 )布设温控水管进行 内外温差控制。 综上所述 ， 大体积混凝土 的温度裂缝可 以通过 提高浇筑阶段混凝土的连续性， 采用适当的保护层 厚度 ， 增设表面钢筋网片 ， 布设温控水管等措施予 以 控制。 参 考 文 献 1 王铁梦 工程结构裂缝控制 M 北京： 中国建筑工业 出版社 ， 1 9 9 7 2 王辉 大体积混凝土温度裂缝 的成因分析及控制措 施 J 水利水电施工， 2 0 1 2 ( 1 ) ： 2 7 2 9 3 陈辉， 韩恒芳 大体积混凝土温度裂缝的成因分析 及控制措施 J 混凝土， 2 0 0 6 ( 2 ) ： 7 4 7 5 4 朱伯芳 大体积混凝土温度引力与温度控制 M 北 京 ： 中国电力出版社， 1 9 9 9 5 孔祥谦有限元法在传热学中的应用 M 北京： 科学 出版社 ， 1 9 9 9 6 中交公路规划设计院 J T G D 6 0 -2 0 0 4 公路桥涵设计 通用规范 s 北京 ： 人民交通出版社， 2 0 0 4 7 中国建筑科学研究院 G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0 混凝土结构 设计规范 S 北京 ： 人民交通出版社， 2 0 1 0 8 孙振周， 孙瑞领， 李鸿基刚构桥0 块混凝土水化热温度 场数值模拟分析 J 西部交通科技， 2 o 1 2 ( 5 ) ： 3 3 3 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m