大截面混凝土沉井早期裂缝预防措施现场试验研究.pdf

2 0 1 6年第 3期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i ne e r i n g 文章 编 号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 6 ) 0 3 0 0 0 1 0 4 大截面混凝土沉井早期裂缝预防措施现场试验研究 胡伟 明 ， 马建林 ， 李军堂 ， 蒋炳楠 ， 余 允峰 ( 1 西 南交通大学 土木工程学 院 ， 四川 成都6 1 0 0 3 1 ； 2 中铁大桥局集 团有限公司 ， 湖北 武汉4 3 0 0 5 0 ) 摘要 ： 多数 混凝 土的早期 裂 缝是 由混凝 土收 缩 引起 的 ， 尽 管 对 于混 凝 土收 缩 的研 究 已取得 较 大进 展 ， 但 至今还未被业界完全掌握 。本文针对沪通长江大桥超大截面混凝土沉井， 通过理论分析 ， 确定引起 混凝 土收 缩的主要 因素为 温降收 缩 、 干燥收 缩和 自收 缩 ， 继 而组 织现 场 试验 ， 分 析 各 因素对 该 项 目现 浇混 凝 土收缩的影响。研 究结果表明： 控制温度梯度 的工程措施对该项 目混凝土收缩的作 用不明显 ； 通长布置 抗裂钢筋可缓解在 变截面处 出现收缩应力过大的现象； 后 浇段有助 于释放 由于混凝土收缩产生的拉应 力 ， 进 而避免 收缩 裂缝 的产 生。研 究成 果直接 用 于指 导 沪通 大桥 大截 面 沉 井现 场施 工 ， 并 可为今后 类 似 工程提供数据参考。 关键 词 ： 沪通 长江 大桥 大截 面混凝 土 沉 井 早期 裂缝 防裂措 施现场 试验 中图分类号： U 4 4 3 1 3 1 文献标识码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 6 0 3 O 1 混凝土早期开裂是指结构在施工期间 ， 荷载 尚未 完全施加时， 部分现浇混凝土在拆模或养护过程 中出 现的裂缝。研究表明， 对于混凝土早期裂缝 ， 荷载并不 是导致其产生的主要原因， 9 0 以上的早期裂缝是 由 于混凝土收缩引起 ， 尤其是细长型大截面混凝土结构 ， 收缩更是混凝土开裂的主要诱因。尽管 目前对于混凝 土收缩的研究已取得较大进展， 但因收缩现象的复杂 性 ， 至今还未被业 界完全掌握 ” 。本文通过现场试 验， 从现场施工的角度分析不同工程措施及工艺在预 防混凝土早期开裂中的作用。 1 超大截面沉井混凝土收缩 力学模型 1 1沉井工 程概 况 沪通长 江大 桥主 塔 2 8 墩基 础 采用 倒 圆角 的矩 形 沉井基础方案。矩形沉井井身平面尺寸为 8 6 9 m 5 8 7 m， 倒圆半径为 7 4 5 i n ， 混凝土沉井壁厚 1 8 m， 隔墙 厚 I 3 1 1 3 ， 为 方便 吸泥取 土 下沉 ， 沉 井平 面 布 置 为 2 4个 1 3 m1 3 m 井 孔 。沉 井 下 部 4 4 m 高 的 范 围 为 钢沉井 ， 其余为钢筋混凝土沉井 ， 底节及顶节高 8 i n ， 其余每节高约 6 m。沉井平面见图 1 。 1 2混凝土 收缩 力学模 型 现有研究成果表 明 ， 对 于混凝 土早 期裂缝影 收稿 日期 ： 2 0 1 5 - 0 9 2 8 ； 修 回日期 ： 2 0 1 5 1 2 2 5 基金项 目： 中国铁路总公司科技研究开发计划( 2 0 1 3 G 0 0 1 A 2 ) 第一作者 ： 胡伟 明( 1 9 8 5 一) ， 男， 博士研究生 。 通 讯作者 ： 马建林 ( 1 9 5 8 一) ， 男 ， 教授 ， 博 士。 1 2 沉井 顶面 图 1 沉井平 面( 单 位 ： c m) 响较 大 的 因素 主 要 是 温 降 收 缩 、 干 燥 收 缩 和 自收 缩 。 对于本文研究的沉井 ， 从平面上看 ， 是 由许多尺寸相同 的局部单元组合而成 ， 故可选取沉井平面的一个局部单 元作为计算分析对象。隔墙相交的地方定义为 A构件， 两个 A构件之间的隔墙定义为 B构件， 如图 2 所示。因 A构件 为轴对称 且为对称受 力 ， 可进一 步将 B构 件两端 的 A构件简化为固定端， 成为 B构件的约束。 A 图 2 混凝土 收缩分析 力学模型 ( 单位 ： c m) 2 铁道建筑 根据混凝土极限拉伸试验可 知， 低强度等级混凝 土的极限拉伸应变可 以按 6 01 0 来估计 。对于 本工 点采 用 的 C 4 0混 凝 土 ， 在 现场 条 件 下 极 限拉 伸 应 变 可 以 1 0 01 0 为限 。 在上述简化条件下 ， 结合现有研究成果川 计算可 知 ： 温 降收缩约 为 ( 6 01 2 0)1 0 、 干燥 收缩约 为 ( 2 0 0 4 0 0 )1 0一、 自收缩 为 ( 1 3 03 0 0 )X 1 0 。此 处考虑最不利条件 ， 将上述 3项全部相加 ， 然后减去混 凝 土 的极 限拉 伸应 变 ， 得 到 收缩 应 变为 ( 3 0 07 2 0 ) 1 0 ， 结合 A， B构件 的几何尺寸 ， 可得到 A构件 的裂 缝宽度合计为 01 3 7 mm， B构件沿轴向的裂缝宽度 合 计 为 0 3 6 m m。 因 A构件为轴对称构件 ， 其裂缝应 为随机且均布 的微裂缝 ， B构件为细长结构 ， 其裂缝产生的位置为结 构变截面处 ， 即 A构件和 B构件的衔接部位 。 抗 - (： 图 4 抗 裂钢筋设计 示意 钢筋接 头 率 5 0 。 2 3冷却 水管 在中间段隔墙及井壁交叉处的混凝土内部预埋冷 却水管 ， 在混凝土浇筑完成 12 d后 ， 开始循环供水 冷却 。 冷却水管的布置 ， 可使现浇混凝土的水化 热随时 转移， 减小沿混凝土截面的温度梯度 ， 从而避免表面混 凝 土受拉 开 裂 。 2 预 防开裂 的工程措施 3 现场试 验及数据分析 为 防止 沉 井 因混 凝 土 的收 缩 效 应 而 产 生 收 缩 裂 缝 ， 在混 凝 土沉井 施 工 中增 设 1 7个 后 浇 段 ， 将 沉 井 整 个断面分割为 6个独立的收缩分块 。此外 ， 混凝土沉 井防裂的技术措施还有增设冷却水管 、 增加抗裂钢筋 、 进行模板保温等现场施工措施 。 2 1后 浇段 在混凝土沉井增设后浇段 l 7处 ， 横桥 向 7处 ， 纵 桥 向 1 0处 ， 共将 沉井 整个 断 面分 割为 6个 独立 的收 缩 分块。相邻两 节混凝土沉井 的后 浇段总体按对 称布 置 ， 以提高沉井整体的受力特性 ， 后浇段结构平面图如 图 3所 示 。 图 3 后 浇段结 构平面 ( 单位 ： e m) 后浇 段设 置 可 以给 t 昆凝 土 充 足 的 收 缩 空 间 和 时 间 ， 使其收缩应力得到充分释放 ， 待各分块收缩充分后 再进 行后 浇段 的浇筑 。 2 2 抗 裂钢 筋 抗裂钢筋 的设计原则是将混凝土沉井水平筋设置 为整根通长布置 ， 以增大混凝 土沉井在隔墙交汇处的 整体抗拉强度从而达到抗裂的效果 ， 如图 4所示 。 为满足抗裂钢筋设计要求 ， 方便现场施工 ， 需挪动 原设计水平向钢筋的位置 ， 并在空 出的位置上增加抗 裂水平向钢筋 ， 相互之间采用搭接连接 。采取对称反 向挪动的方式挪动设计水平 向钢筋 ， 保证 同一断面的 现场试验共分为两个阶段 。第一阶段试验 中考察 所有预防开裂的工程措施 ， 第二 阶段针对试验 中影响 较 为 明显 的措施 进 行对 比分 析 。 3 1 第一 阶段 试验 3 1 1 试 验 方案 第一阶段试验将沉井分成三个监测 区段 ， 即中间 段、 上游段和下游段。后浇段平面位置及传感器 布置 如 图 5所 示 ， 即上 游段 在 沉 井 隔 墙 相 交 的 区段 设 置通 长抗裂钢筋 ； 中间段按 现行通常方法施工混凝 土沉井 区段 ， 并 在 隔 墙 与 井 壁 、 隔 墙 与 隔 墙 交 叉 点 内 设 置 4 , 5 0 mm、 底 口联通 的冷 却 钢 管 ； 下 游 段 在 沉 井 隔墙 相 交的区段设置通长抗裂钢筋的基础上 ， 在模板 内外侧 贴厚 3 c m的保温泡沫板对混凝土进行保温。亦即 ： 上游段 ， 后浇段 +抗裂钢筋 。 中间段 ， 后浇段 +冷却管。 下 游段 ， 后 浇段 +抗 裂钢 筋 +保温模 板 。 上 游 广 n 广 厂 U 几 H H f 、f H 一 稆 I I中间段 、，。_ L一 厂 _厂 -_ 南 唰 _后浇段 l混凝土应变计 钢筋应变计 图 5 第一阶段试验传感器 布置 2 0 1 6年第 3期 胡伟 明等 ： 大截面混凝土沉井早期裂缝预防措施现场试验研究 3 3 1 2数据 分析 各试验区段混凝土应变平均值对 比如图 6 。 图 6 各试验区段 混凝 土应 变平 均值对 比 由 图 6可 以看 出 ： 上游段 ( 后浇带 +抗裂钢筋) 混凝土受力状态 总 体优于其他两区段。在混凝土浇筑完 67 d后 ， 上游 段混凝 土受 力 状 态 主 要 呈 受 压 状 态 ， 而其 他 两 区 ( 中 间段 和下游 段 ) 整 体上 处于 受拉状 态 。 中间段 ( 后浇带 +冷却管 ) 混凝土受力状态最差 。 该 区整体上处于受拉状态， 其最大拉伸应变 已接 近混 凝土开裂的拉伸应变极限值 。 下游段 ( 后浇带 +抗 裂钢笳 +保 温模板 ) 混凝 土 受力状态居三者之 中。该区整体上处于受拉状态 ， 但 其最 大拉伸 应变 为 中间段 区域 的 4 0 5 0 ， 平 均拉 应变也 明显 小于 中间段 。 图 7为各试验区段混凝土内部温度平均值对 比结 果， 其平均值差异不明显， 总体在相近范围内。只是在 浇筑混凝土 48 d期间， 下游段混凝土内部温度下降 较其他两区段的慢 ， 但之后温度基本维持在相同水 平 上 。可 以推 论 ， 温 度 效 应 对 这 三 种 区段 的 影 响 基 本 相 同。 图 7 各试验 区段温度平均值对 比 3 2 第 二 阶段 试验 3 2 1 试验 方案 从第一阶段试验可知， 温降收缩并不是导致沉井 现浇混凝土产生收缩应力的主要因素。因此第二阶段 试验 的分析重点为后浇段和抗裂钢筋 的作用。现场试 验依 旧将沉井分成三个监测区段 。第二阶段试验传感 器布置如图 8所示 ， 每个试验监测点 布置混凝土应变 计和钢筋计各 1个。各段采取 的抗裂措施 ： 上游段在 沉井 隔墙相 交 的 区段设 置通 长 抗 裂 钢 筋 ； 中间 段 按 现 行通常方法施工 ； 下游段在沉井 隔墙相交的区段 设置 通 长抗 裂钢 筋 。 上 游 1一 厂 L_ r = _一 ，_ O 、 Jl 厂 I r r 2 z 中 间 段 n f1 下 游 段 _ 、 一 _ 、 _ 口 厂 、 _ 、 、 一 - 后浇段 试验监测 点 图 8第二 阶段试验传感器 布置 亦 即 ： 上游段 ， 后浇段 + 抗裂钢筋。 中间段 ， 后浇段 。 下游 段 ， 后浇 段 + 抗 裂 钢筋 。 3 2 2数 据 分析 各试验区段 昆 凝土应变及钢筋应力平均值对 比如 图 9 、 图 1 0 。 图 中 H 2 2和 G 2 2分别 为 图 8中 2号 监 测点的 昆 凝土和钢筋应变计 。 图 9 各试验 区段混凝土应变平均值对 比 图 1 O 各试验区段钢筋应力平均值对 比 4 铁道建筑 Ma r c h 。 2 0 1 6 由图 9 、 图 1 0可 知 ， 上 游 段 ( 后 浇 带 +抗 裂 钢 筋 ) t 昆 凝土应变的平均值小于 中间段 ( 后浇带 ) ， 上游段钢 筋压应力 的平均值小于中间段 。混凝土收缩对测点处 的钢筋 产 生轴 向压 应力 ， 设 置 通长 布置 的抗 裂钢 筋 后 ， 钢筋上均匀分担 了混凝 土收缩产生 的拉应力 ， 因此上 游 段钢 筋 轴 向压 应 力 比中 间段 小 ， 同 时 因为 压 应 力 分 担均匀， 避免了应力集中， 使混凝土的拉应变也略有减 小 ， 上游段 的混凝土拉应变也 略小于 中间段。 测点 2 ( 见 图 8 ) 位 于 中 间段 且 位 于后 浇 段 研 究 区 间 内 。比较 以上两 图可 知 ， 上 游 段 与 测 点 2的 混凝 土 应变接近， 但上游段钢筋压应力值约为中间段的 1 3 。 说 明设置 通 长钢筋 可 以避 免在 沉井 隔墙 变截 面处 形成 收缩而导致拉应力集中， 可以有效改善该处应力状态 ， 避 免早期 裂缝 的产生 。 4 结论 由上述现场试验及数据分析可得以下结论 ： 1 ) 温度效应对三个试验区段 的影响基本相 同， 说 明沉井隔墙混凝土水化热消散较快 ， 控制温度梯度 的 工程措施在此处的作用不是很 明显； 2 ) 设置通长抗裂 钢筋可使混凝土 收缩应 力沿钢 筋轴 向均匀分布 ， 避免在变截 面处 出现收缩而导致拉 应力集中 ， 可显著提高混凝土的抗裂性能 ； 3 ) 设 置 后 浇 段 可 使 后 浇 带 两 侧 一 定 范 围 内 的 混 凝 土 自由变形 ， 释放 由于混凝 土 收缩 产生 的拉 应力 ， 进 而可避 免 收缩 裂缝 产生 。 参 考 文 献 1 B A Z A N T Z P P r e d i c t i o n o f P a s t ， P r e s e n t a n d F u t u r e J 2 0 O l ， 2 0 3 ( 1 ) ： 2 7 3 8 Co nc r e t e Cr e e p a n d Sh r i n k a g e： Nuc l e a r Eng i ne e r i n g a nd De s i g n， 2 蒋 正武 ， 孙振 ， 王新友 ， 等 国外混凝土 自收缩研究进 展评述 J 混凝土 ， 2 0 0 1 ( 4 ) ： 3 0 3 3 3 覃维祖 混凝土的收缩 、 开裂 及其评 价与 防治 J 混凝 土 ， 2 0 01 ( 7)： 3 - 5 4 杨文 武 ， 钱觉 时 ， 范 英 儒 混 凝 土早 期 收 缩性 能 试 验研 究 J 深圳大学学报 ( 理工版 ) ， 2 0 0 9， 2 6 ( 1 ) ： 8 1 - 8 5 5 韩 素芳 ， 耿维恕 钢筋混凝土结构裂缝控制指南 M 北 京 ： 化 学工业出版社 ， 2 0 0 6 6 梁 润 混凝土 的极 限拉伸 与变换 弹性体 的极 限应变 J 武 汉 水利电力学院学报 ， 1 9 8 6 ( 3 ) ： 2 O 一 2 6 7 彭全敏 超长混凝 土结 构收缩 裂缝 控制 研究 D 天津 ： 天 津大学 ， 2 0 1 2 Fi e l d Ex p e r i m e n t a l Re s e a r c h o n Pr e v e n t i o n M e a s u r e s o f Ea r l y Cr a c k i ng i n La r g e Cr o s s S e c t i o n Co n c r e t e Op e n Ca i s s o n HU We i mi n g ， MA J i a n l i n ， L I J u n t a n g ， J I ANG Bi n g n a n ， YU Yu n f e n g ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， C h e n g d u S i e h u a n 6 1 0 0 3 1 ， C h i n a ； 2 C h i n a R a i l w a y Ma j o r B r i d g e E n g i n e e r i n g Gr o u p C o ， L t d ， Wu h a n Hu b e i 4 3 0 0 5 0， C h i n a ) Ab s t r a c t ： M o s t e a r l y c r a c k i s c a u s e d b y t he s hr i n ka g e o f c o nc r e t e Tho ug h g r e a t pr ogr e s s ha s be e n ma de o n t he s t u dy of c o n c r e t e s hr i n ka g e， s hr i nk a g e i s a c o mpl e x pr o bl e m a nd i t s me c ha ni s m ha s no t b e e n f ul l y und e r s t oo d Th i s pa pe r a i m e d a t pr e ve nti o n m e a s ur e s of e a r l y c r a c k o f l a r g e c r o s s s e c t i o n c o nc r e t e o p e n c a i s s o n o f S h a n g ha i Na nt o ng Ya n g e Ri ve r Br i dg e Thr o ug h the o r e tic a l a na l y s i s ，i t wa s i d e nt i f i e d tha t t e mpe r a t u r e de c r e a s e s h r i n ka g e， dr yi ng s hr i n ka g e a nd a ut og e no u s s hr i n ka g e we r e the m a in c a us e s of c o nc r e t e s h r i nka g e， a nd f i e l d e x pe r i me n t wa s t a k e n t o a n a l y z e the i r i n f l u e n c e o n c a s t i n s i t u c o n c r e t e i n thi s p r o j e c t E n g i n e e r i n g me a s u r e s t o c o n t r o l the t e mp e r a t u r e gra d i e n t h a v e n o s i g n i f i c a n t e ff e c t s o n c o n c r e t e s h r i n k a g e a c c o r d i n g t o t h e t e s t r e s u l t s An t i c r a c k r e b a r a r r a n g e d a l o ng t he s t r u c t u r e ma y i mp r o v e s t r e s s c o nc e n t r a ti o n a t p r of il e c ha ng e s e c ti o ns Po s t c a s tin g bl o c k s c o nt r i b ut e t o r e l e a s e th e t e ns ile s t r e s s c a us e d b y c o nc r e t e s hr i nk a g e， a vo i d i ng s h r i n ka g e c r a c kRe s e a r c h r e s ul t s ma y be di r e c tl y us e d t o g u i d e c o ns truc t i o n o f l a r g e c r o s s s e c t i on c o nc r e t e o p e n c a i s s o n i n S ha ng h a iNa nt o ng Ya ng t z e Ri v e r Br i d g e， a n d p r o v i d e e x p e r i e n c e f o r the s i mi l a r p r o j e c t s Ke y wo r d s： Sh a ng ha iNa nt o n g Ya n gt z e Ri v e r Br i dg e； La r g e c r o s s s e c t i o n c o nc r e t e o pe n c a i s s o n； Ea r l y c r a c k o f c on c r e t e； Ant i 。 c r a c k m e a s ur e s ； F i e l d e x pe r i m e nt ( 责任 审编孟庆伶)