張世輝

摘要：文章以高寒地區(qū)某鐵路橋為工程背景，詳細(xì)分析了承臺水化熱產(chǎn)生裂縫的原因，進(jìn)一步采用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行對已開裂承臺進(jìn)行了局部應(yīng)力分析，并提出了裂縫修補(bǔ)方案。結(jié)果表明：高寒地區(qū)冬季大體積混凝土在上邊緣處容易開裂，應(yīng)提前在鋼模板表面鋪設(shè)棉被以保溫，按照設(shè)計冷卻水程序通水降溫，必要搭設(shè)保溫棚；在運(yùn)營荷載下，由于橋墩處于受壓狀態(tài)，已開裂部位的所受的拉應(yīng)力很小，不會引起裂縫擴(kuò)展；封閉裂縫表面0.2～0.5?m深度后，在最不利荷載作用下，封閉裂縫處與未封閉裂縫面上的拉應(yīng)力均很小，不會引起開裂。

關(guān)鍵詞：?高寒地區(qū)??承臺??大體積混凝土??水化熱裂縫

中圖分類號：TQ172.4????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Analysis?of?the?Hydration?Heat?Cracking?and?Stress?of?the?Pier?Cushion?Cap?in?the?High-Cold?Reign

ZHANG?Shihui

（China?Railway?NO.2?Engineering?Group?CO.，?Ltd.，?Chengdu，?Sichuan?Province，?610031?China）

Abstract：?Taking?a?railway?bridge?in?the?alpine?region?as?the?engineering?background，?this?paper?analyzes?the?causes?of?cracks?by?hydration?heat?in?the?cushion?cap?caused?in?detail，?further?analyzes?the?local?stress?of?the?cracked?cushion?cap?by?using?the?finite?element?software?ABAQUS，?and?proposes?the?repair?scheme?for?cracks.?The?results?show?that?the?mass?concrete?in?high-cold?areas?is?easy?to?crack?at?the?upper?edge?in?winter，?so?it?is?necessary?to?lay?quilts?on?the?surface?of?steel?formwork?in?advance?to?keep?warm，?cool?down?with?water?according?to?the?designed?cooling?water?program，?and?set?up?insulation?sheds，?that?under?the?operation?load，?because?the?pier?is?under?pressure，?the?tensile?stress?of?the?cracked?part?is?very?small?and?will?not?cause?the?crack?to?expand，?and?that?after?sealing?the?crack?surface?at?a?depth?of?0.2?-?0.5?m，?under?the?most?unfavorable?load，?the?tensile?stress?at?the?closed?crack?and?on?the?unsealed?crack?surface?is?very?small?and?will?not?cause?cracking.

Key?Words：High-cold?Reign;?Cushion?cap;?Massive?concrete;?Hydration?heat?crack

橋梁承臺作為橋梁的受力構(gòu)件，承受了上部結(jié)構(gòu)和墩柱的傳力，并將作用力和自重傳遞至樁基[1]。若橋梁承臺產(chǎn)生裂縫，將嚴(yán)重影響橋梁的安全性。橋梁承臺結(jié)構(gòu)需要采用高強(qiáng)度等級和大體積混凝土澆筑，導(dǎo)致混凝土水化凝結(jié)過程中產(chǎn)生大量水化熱，內(nèi)部混凝土溫度升高，當(dāng)與外部溫度溫差過大時會產(chǎn)生溫度應(yīng)力[2-4]。當(dāng)混凝土的抗拉強(qiáng)度不足以抵抗溫度應(yīng)力時，混凝土便會產(chǎn)生裂縫。尤其是高原高寒地區(qū)，冬季晝夜溫差大，紫外線照射強(qiáng)烈，加劇了混凝土干燥收縮、塑性收縮，容易引起橋墩承臺水化熱裂縫[5]。研究表明，在高原高寒地區(qū)，冬季日溫度變化-15～20℃，同養(yǎng)護(hù)條件下早期混凝土抗劈裂強(qiáng)度僅相當(dāng)于28?d標(biāo)準(zhǔn)抗劈裂強(qiáng)度的34.07%[6]。高寒條件下不利于早期混凝土強(qiáng)度發(fā)展[7]，因此在高寒條件下混凝土早期抗強(qiáng)度增長緩慢也會加劇大體積混凝土開裂風(fēng)險。承臺裂縫后，也需要對橋梁承臺采取不同的裂縫整治方案[8-9]?；诖耍恼路治隽烁吆貐^(qū)橋墩承臺大體積混凝土水化熱開裂原因，并根據(jù)實際裂縫情況，分析了承臺開裂后不同工況下的受力情況。

1?工程概況

1.1?橋梁簡介

高原高寒地區(qū)某鐵路橋梁全長774?m，全橋孔跨布置為“18?m×32?m簡支梁+6?m×33?m連續(xù)梁”，承臺采用矩形截面形式，采用C35鋼筋混凝土。其中2～8號承臺長寬高分別為10.5?m×38.9?m×3.0?m，混凝土方量為1?225.35?m?，為典型的大體積混凝土結(jié)構(gòu)。承臺澆筑時間為11月初至12月初，期間氣溫為-2～15?℃。

1.2?承臺開裂情況

1月初檢查發(fā)現(xiàn)，已澆筑的2～7號承臺均出現(xiàn)不同程度開裂現(xiàn)象。2～5號承臺裂縫寬度0.1～0.25?mm，6#承臺裂縫寬度0.1～0.35?mm，7#承臺裂縫最嚴(yán)重。7#承臺共發(fā)現(xiàn)5條裂縫，其中1號裂縫位于承臺頂面中心位置，為頂面通長裂縫，長度10.5?m，最大深度2.3?m，最大寬度0.48?mm。7#承臺其他裂縫均為表面裂縫，最大長度4.13?m，最大深度0.15?m，最大寬度0.22?mm，如圖1所示。

2?承臺水化熱分析

為了分析承臺開裂原因，采用MIDAS有限元軟件建立1/4模型。環(huán)境溫度設(shè)為0～15?℃按正弦函數(shù)變化以模擬日溫差變化。承臺下設(shè)20?cm厚C20混凝土墊層，墊層及地基礎(chǔ)按平均溫度7.5℃設(shè)置。承臺澆筑完48?h后，拆除鋼模板并替換為棉被覆蓋養(yǎng)護(hù)。冷卻水管按三層布置，豎向間距為0.5+1.0+1.0+0.5=3.0?m。根據(jù)現(xiàn)場反饋，每個承臺澆筑完成后即進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，表面鋪設(shè)棉被及薄膜保溫直到第二年1月初，澆筑完成后開始采用冷卻水管通水降溫約10?d。圖2為按上述邊界條件模擬冷卻水循環(huán)10?d的內(nèi)部和表面溫度及應(yīng)力發(fā)展情況。內(nèi)部最高溫度為55.1?℃，同時刻內(nèi)、表溫差小于25?℃，滿足規(guī)范要求。上表面應(yīng)力均小于抗拉強(qiáng)度，但是側(cè)外表面及上邊緣處的拉應(yīng)力大于同時刻混凝土的抗拉強(qiáng)度，有開裂縫風(fēng)險。

表1列出了溫度監(jiān)測峰值情況。2、3、6#墩承臺最高溫度比計算峰值高約7?℃，同時刻實測表面溫度與內(nèi)部峰值溫度差約30?℃；4、5#墩承臺最高溫度比計算峰值高10?℃；7#墩承臺實測溫度最高，達(dá)到68.4?℃；而6#、7#承臺內(nèi)、表溫差分別達(dá)到38.7?℃、46.6?℃。實測溫度峰值高于理論計算值，主要是由于冷卻水降溫不足，據(jù)調(diào)查，實際操作過程中，并沒有嚴(yán)格按照既定的循環(huán)水降溫方案執(zhí)行。由實測可知，承臺內(nèi)、表溫差均超過規(guī)范允許值，是導(dǎo)致承臺開裂的重要原因，上述溫差大小也與各承臺的開裂嚴(yán)重程度相符。6#、7#承臺外表面實測溫度均在20?℃左右（圖2），低于其他承臺，表明6#、7#承臺保溫措施不到位，散熱較快，這也是導(dǎo)致其開裂嚴(yán)重的原因之一。

7#墩承臺由于停電只通水降溫1?d，按此模擬計算得到內(nèi)、表溫度變化見圖3所示。由此可見，停止冷卻水后，內(nèi)部最高溫度達(dá)到68.4℃（混凝土澆后68h），比正常通水條件下的最高溫度高5.8?℃，但是內(nèi)、表溫差達(dá)到32.3?℃，大于規(guī)范規(guī)定的25?℃。7#墩承臺實測溫度見圖3，實測最高溫度為69.1?℃（混凝土澆后72?h），與理論分析值接近。分析表明，在內(nèi)部溫度達(dá)到峰值時刻承臺表面上邊緣處最大拉應(yīng)力達(dá)到4.7?MPa，遠(yuǎn)大于該時刻混凝土的抗拉強(qiáng)度2.2?MPa，因此理論分析表明這種情況下會引起混凝土開裂。實際上從現(xiàn)場施工反饋的情況表明，冷卻水并沒有按照既定的方案進(jìn)行通水和養(yǎng)護(hù)，實測內(nèi)、表溫差大于25℃也沒有及時采取措施，所以導(dǎo)致這段時間澆筑的承臺均出現(xiàn)不同程度的開裂。

如上所述，按上述既定施工方案計算分析，側(cè)外表面和上邊緣處拉應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度，有列裂風(fēng)險。發(fā)生上述問題主要在于環(huán)境溫度較低，再加之待混凝土達(dá)到終疑后才將側(cè)面的鋼模板更換為棉被覆蓋，導(dǎo)致前期外側(cè)表面通過鋼模板散熱快，溫度梯度變化大，從而產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。因此冬季低溫環(huán)境下，應(yīng)考慮在混凝土澆筑后即在側(cè)面鋼模板上也覆蓋棉被保溫，5?℃以下應(yīng)考慮搭設(shè)保溫棚并輔以加熱措施，以提供更好的保溫環(huán)境。模擬分析表明：澆筑完混凝土后即采用棉被覆蓋在鋼模板上，可以為側(cè)面提供更好的保溫措施，側(cè)表面的拉應(yīng)力可降低至2.0?MPa以下，從而可避免側(cè)表面開裂；但是上邊緣由于單元雙面散熱，溫度梯度大，局部拉應(yīng)力還是比較大，進(jìn)一步在上邊緣處再覆蓋一層5?cm厚棉被，邊緣最大拉應(yīng)力可控制在2.4?MPa以下，小于同時刻混凝土的抗拉強(qiáng)度2.7?MPa，基本確保邊緣混凝土不開裂。

3?開裂承臺有限元分析計算

3.1?有限元模型建立

為了分析承臺開裂后對其受力的影響，采用有限元軟件ABAQUS建立承臺分析模型，為了加載方便模型含下部2.5?m高實體墩身，如圖4所示。承臺底樁基僅模擬0.5?m，直接約束樁底。不考慮承臺下墊層的支承作用，這樣簡化分析結(jié)果趨于保守。同時為了提高計算效率，計算模型中未考慮鋼筋的作用，如果考慮鋼筋計算結(jié)果會更小。

承臺裂縫采用ABAQUS中的XFEM法模擬裂紋在荷載作用下的擴(kuò)展情況，主要模擬2條典型裂縫。7#墩在有限元模型中的裂縫數(shù)值，如表2所示。

3.2?計算荷載參數(shù)

承臺有限元分析模型，只考慮承臺以上2.5?m高墩身（實體段），墩身2.5?m以上的重量，按均布荷載施加在墩身截面上。計算荷載參數(shù)如表3所示。圖4中右側(cè)墩為單線，其余3個橋墩為雙線。

4?承臺局部承載力分析

4.1?無裂縫受力分析

無裂縫情況下，承臺在運(yùn)營狀態(tài)下的橫橋向應(yīng)力分布如圖5所示。承臺應(yīng)力最大拉應(yīng)力為0.717?MPa，位于樁周邊沿與承臺連接處；最大壓應(yīng)力發(fā)生樁頂中心，為1.45?MPa。兩個橋墩之間的承臺上表面均出現(xiàn)拉應(yīng)力，分別為0.395?MPa、0.335?MPa、0.403?MPa，這是由于兩個橋墩受到向下的壓力作用導(dǎo)致。由計算可知，在無裂縫情況下，混凝土拉應(yīng)力小于C35極限抗拉強(qiáng)度3.50?MPa。

4.2?實際開裂情況下受力分析

裂縫①情況下，承臺的橫向拉應(yīng)力分布見圖6所示。承臺最大拉應(yīng)力0.585?MPa，位于承臺底面。開裂面上相當(dāng)于是兩個分離體，此處橫向拉應(yīng)力接近0，而兩側(cè)8線和6線、I線和3線之間的承臺表面由于缺少了裂縫面的約束，其拉應(yīng)力反而比無裂縫時小，由0.717?MPa減小為0.585?MPa。圖7顯示，裂縫面上拉、壓應(yīng)力都很小，為-0.079～0.033?MPa。圖8也表明：無裂縫情況下截面中間上表面處出現(xiàn)拉應(yīng)力0.33?MPa，而開裂后由于成為近似自由面，反而僅有很小的拉應(yīng)力0.09?MPa；而裂縫面下的實體單元，最大壓應(yīng)力幾乎相等（-1.13?MPa和-1.14?MPa），說明裂縫的存在對壓力的傳遞影響很小。因此，在運(yùn)營狀態(tài)下，由于承臺受壓，裂縫面上的拉應(yīng)力很小，裂縫不會繼續(xù)擴(kuò)展。

裂縫②情況下，承臺的橫向拉應(yīng)力分布見圖9所示。承臺上表面最大拉應(yīng)力為0.713?MPa。由于橋墩在裂縫面處，導(dǎo)致該區(qū)域承受壓力，裂縫面上無拉應(yīng)力（圖10），因此不會引起開裂。再對比有、無裂縫的情況，該處基本上受壓，僅有很小的拉應(yīng)力，而且拉應(yīng)力出現(xiàn)的范圍也基本相同。因此，同①裂縫一樣，在裂縫處不會繼續(xù)開裂。

4.3?危險裂縫修補(bǔ)后受力分析

考慮裂縫①通過壓力注漿，假定開槽或注漿封閉外表面0.5?m深度的裂縫，中間裂縫仍然存在，在這種情況下，分析內(nèi)部裂縫的發(fā)展情況。計算結(jié)果見圖11～13所示。由計算可知，裂縫修補(bǔ)后，與無裂紋狀態(tài)下的最大拉、壓應(yīng)力完全一致（圖11與圖5）。圖12中上圖為裂縫所在的橫截面，圖中方框中即是未封閉的裂縫面，下圖是未封閉裂縫面上的應(yīng)力，由圖中可見未封閉的裂縫面周邊的最大拉應(yīng)力為0.04?MPa。

同樣對裂縫②封閉0.20?m深度，計算結(jié)果見圖13所示，內(nèi)部裂縫剖面上的應(yīng)力均是壓應(yīng)力，因此也不存在繼續(xù)開裂的風(fēng)險。由此可見，裂縫注漿封閉后，在運(yùn)營狀態(tài)下裂縫均不會繼續(xù)擴(kuò)展。

5?承臺裂縫修補(bǔ)方案

根據(jù)現(xiàn)場病害情況，結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境特點及材料性能特點，擬根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)部位和裂縫寬度的不同，采取不同的病害整治方案，如表4所示。

5.1?表面封閉法

表面封閉法所用涂層材料為滿足規(guī)范要求的聚合物水泥基材料，底涂材料采用高聚合物乳液含量的聚合物水泥基材料。施工適宜溫度10～30?℃，雨雪天氣不得施工。工藝流程及修補(bǔ)方法如下。

（1）裂縫表面清理：使用鋼絲刷將裂縫表面兩側(cè)刷毛，用吹風(fēng)機(jī)清除灰塵等雜物。當(dāng)裂縫內(nèi)有明水時，應(yīng)使用熱風(fēng)機(jī)將裂縫吹干。

（2）配制封閉材料：嚴(yán)格按照表面封閉材料的配合比配制材料，單次配料量根據(jù)修補(bǔ)量和材料狀態(tài)變化時間進(jìn)行合理確定。

（3）涂刷封閉材料：先沿裂縫表面涂刷一層底涂材料，待底涂材料表干后，涂刷表面封閉用涂層材料，涂刷3遍以上，涂刮厚度宜不小于300?μm。每遍涂刷要等到上遍涂層材料表干后再涂，且兩次涂刷方向相互垂直。

（4）場地清理：施工完畢后按要求將施工區(qū)域及周圍環(huán)境清理整潔，做到工完、料凈、場地清。

5.2?低壓注漿法

低壓注漿法所用材料為滿足規(guī)范要求的TK-NCLF-EJ型低粘高強(qiáng)注漿膠。施工適宜溫度10～30?℃，雨雪天氣不得施工。工藝流程及修補(bǔ)方法如下。

（1）裂縫表面清理：為保證修補(bǔ)效果，采用鋼絲刷和真空除塵器清理裂縫表面的灰塵、浮渣，采用真空吸塵器和吹風(fēng)機(jī)盡量清除裂縫內(nèi)的灰塵雜物和積水，并將裂縫兩側(cè)50?mm擦拭干凈后保持干燥，修整不平整部位。

（2）安裝注膠針頭：根據(jù)裂縫分布圖和裂縫寬度確認(rèn)注漿嘴粘貼位置。

（3）封邊：采用專用封邊膠涂抹裂縫表面進(jìn)行封邊。

（4）配制注漿膠：按照相關(guān)產(chǎn)品說明，并經(jīng)試驗檢測滿足性能指標(biāo)后，進(jìn)行注漿膠修補(bǔ)材料的配制。配制過程應(yīng)攪拌均勻，現(xiàn)配現(xiàn)用。

（5）低壓注膠：將雙組份注漿機(jī)的注漿槍頭與已安裝的注膠針頭相連，以0.2?MPa左右的注漿壓力，開始注入修補(bǔ)材料。當(dāng)注射至無法再注入修補(bǔ)材料時，拔下注膠槍頭，然后連接到附近無漿液滲出的注膠針頭上，繼續(xù)注膠，依此，直至完成整條裂縫的注膠工作。

（6）打磨處理：修補(bǔ)材料完全固化后，鑿除注漿嘴和封邊材料，并用角磨機(jī)將裂縫表面打磨平整，力求平整、光潔、美觀。

5.3?修補(bǔ)后質(zhì)量檢驗

對采用低壓注漿法修補(bǔ)處理的區(qū)域應(yīng)進(jìn)行注漿質(zhì)量檢驗。檢驗時應(yīng)進(jìn)行隨機(jī)抽樣鉆芯取樣，按裂縫條數(shù)計，抽取進(jìn)行鉆取芯樣的裂縫比例不低于30%，所抽取的裂縫鉆取芯樣數(shù)量不少于2個。鉆孔直徑宜18?mm，不大于30?mm，芯樣長度宜為50?mm，當(dāng)保護(hù)層厚度小于50?mm時，芯樣長度取保護(hù)層厚度。

結(jié)果判定：芯樣漿液飽滿，無明顯縫隙、并已將裂縫兩側(cè)混凝土粘結(jié)成一整體，則注漿飽滿度視為合格；若芯樣裂縫部位存在明顯孔隙，且能將芯樣劈開，劈開后粘結(jié)面積小于裂縫面積的90%，則注漿飽滿度視為不合格。芯樣不合格則加倍取樣，仍不合格則判為注漿不合格。

6?結(jié)論

以高寒地區(qū)某新建鐵路橋墩為工程背景，分析了承臺大體積混凝土裂縫的產(chǎn)生的原因以及裂后的受力情況，并提出了整治措施。

（1）高寒地區(qū)冬季大體積混凝土應(yīng)做好養(yǎng)護(hù)保溫措施，尤其應(yīng)注意上邊緣的保溫，必要時應(yīng)搭設(shè)保溫棚。

（2）大體積混凝土澆筑后，應(yīng)嚴(yán)格按照施工規(guī)范采取養(yǎng)護(hù)保溫保濕措施，應(yīng)實時監(jiān)測內(nèi)表溫差情況，發(fā)現(xiàn)超出規(guī)范限值后應(yīng)及時調(diào)整養(yǎng)護(hù)策略，避免混凝土開裂。

（3）橋墩承臺主要承受壓力，承臺裂縫處受力較小，在運(yùn)營荷載作用下不會繼續(xù)開裂。

（4）模擬分析了封閉裂縫表面之后，內(nèi)部裂縫面處的應(yīng)力也很低，不會引起裂縫發(fā)展。

（5）針對不同的裂縫提出了，根據(jù)現(xiàn)場病害情況，結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境特點及材料性能特點，采取表面封閉法和低壓注漿法整治方案，修補(bǔ)后各裂縫質(zhì)量檢驗均滿足要求。

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