桥梁顶升工程中混凝土临时结构裂缝分析及处理措施

发表时间:2019/12/25   来源:《建筑学研究前沿》2019年19期   作者:赵爱卫
[导读] 混凝土的裂缝问题是一个普遍存在而又难于解决的工程实际问题。

赵爱卫
        上海先为土木工程有限公司  上海市普陀区  200331
        摘要:混凝土的裂缝问题是一个普遍存在而又难于解决的工程实际问题。本文从桥梁顶升中混凝土临时结构的设计、材料、施工现场养护等方面对混凝土工程中常见的一些裂缝的成因进行了分析探讨。针对混凝土裂缝产生的原因,在混凝土结构设计、混凝土材料选择、配合比优化、以及施工现场的养护等方面提出了控制裂缝发展的措施。
        关键词:桥梁顶升、临时结构、裂缝处理
       
       
        1 抱柱梁裂缝概况
        在混凝土养护完成,施工顶升之前,部分抱柱梁便在横桥向中心位置以及部分系梁上出现竖向贯通裂缝,裂缝高度为1.4m,裂缝宽度在0.2mm左右(主要集中在0.05~0.35mm之间),裂缝深度在0~60cm之间,且以60cm深居多。
        2裂缝产生的主要原因分析
        2.1 混凝土收缩
        化学收缩(自身收缩):水泥水化产物的体积小于反应前物质的总体积而导致的混凝土收缩称为化学收缩,为不可逆变形,属于混凝土自身的收缩。
        干燥收缩:混凝土在干燥环境中,其内部吸附的水分蒸发而引起凝胶体收缩或者毛细管内水分蒸发导致毛细管压力增大而出现的收缩,变形部分可逆。
        在施工中, 为保证其和易性, 往往加入比水泥水化作用所需的水分多4 ~ 5 倍的水。多出的这些水分以游离态形式存在, 并在硬化过程中逐步蒸发, 从而在混凝土内部形成大量毛细孔、空隙甚至孔洞, 造成混凝土体积收缩[1]。
        变化规律:混凝土收缩变形随时间而加大,在结硬初期发展较快,一年左右渐趋稳定,其值可达,一般可取常数,在钢筋混凝土构件中,其收缩值可为素混凝土的一半。
        2.2 混凝土水化热导致温度裂缝
        混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生。混凝土内外温差过大引起开裂,热膨胀系数为。
        2.3 系梁收缩受到圆形桥墩的限制
        系梁混凝土收缩受到圆形桥墩的限制,在横桥向中心位置外侧形成应力集中,容易产生裂缝。同时系梁受到反作用,应力加大容易产生裂缝。
        通过ABAQUS有限元对未配筋的混凝土进行模拟,当混凝土的收缩值达到时,不考虑桥墩对混凝土收缩限制的结果如图4所示,考虑桥墩对混凝土完全限制的结果(即假设桥墩为刚体)如图5所示。
        对比发现中间系梁由于长度原因,收缩值较大,容易导致横桥向中心位置外侧和系梁上产生竖向贯通裂缝。
        
        
          图4 不考虑桥墩限制时的应力图
        
          
        
          
        图5考虑桥墩限制时的应力图
       
       
        3 控制裂缝的方法
        3.1 控制混凝土原材料和配合比
        1)严格控制水灰比, 掺加高效减水剂来增加混凝土的坍落度和和易性, 同时减少水的用量,达到减少水分挥发而引起干燥收缩的目的。
        2)在保证混凝土强度及坍落度要求的前提下,添加掺合料,如粉煤灰,以降低单方混凝土的水泥用量,来达到减少混凝土的水化热和降低混凝土的干缩。
        3)选用的水泥必须是严格符合国家现行标准规定的硅酸盐水泥,尽量选用水化热低的水泥,如中热硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥等。
        4)采用膨胀混凝土来补偿混凝土的收缩。目前我国大多数膨胀剂的推荐掺量是10% ~12%, 个别为8% ~ 10%, 但最终以混凝土限制膨胀率为准, 并考虑膨胀剂的类型、混凝土的约束条件、水泥的品种和用量、水灰比、外加剂等综合因素, 通过试验确定掺量[2]。并且膨胀剂不应与缓凝剂共同使用时, 否则会使混凝土的膨胀值过大。
        5)粗骨料宜选用二级或多级级配。
        3.2 钢筋优化布置
        设计者采用细而密的配筋率原则, 易开口处或应力较大处易开裂处应增添钢筋。优化钢筋布置,可考虑增设环形钢筋和抗裂钢筋。
        环形钢筋可以按照图6所示环形钢筋示意图布置多道环形钢筋。环形钢筋既作为抱柱梁的受力纵筋,同时又对环形混凝土施加环形内压力,起到环箍的作用。
        
        图6 环形钢筋示意图[3]
        环形钢筋和抗裂钢筋可以在商业有限元ABAQUS里面对混凝土进行嵌入钢筋进行模拟,建立精细的有限元模型,对钢筋进行优化,得出最优的钢筋配置方案。
        
        图7 环形混凝土结构收缩阶段单元体应力分析图[4]
        3.3 施工工艺
        1)如果在高温的季节浇筑混凝土,混凝土浇筑之前,应控制混凝土的入模温度、钢筋和模板的温度以及附近环境的局部温度,并且,混凝土现浇的模板和刚浇筑的混凝土都应该避免受阳光的直接照射。应该尽可能地避免在高温的白天浇筑混凝土。
        2)对于新浇筑完的混凝土,进行抹压之后,要及时用塑料薄膜或潮湿的草垫覆盖。
        3)混凝土拆模时混凝土强度需要达到设计要求,并且拆模时混凝土的温度不能太高。[4]
        4处理意见和建议
        1)在混凝土配制时掺加减水剂来尽量降低水的用量;施工的时候,浇筑不能过快,每一部分浇筑之后必须振捣密实。
        2)加强早期的养护,在终凝之前进行混凝土二次抹压,要及时用塑料薄膜或潮湿的草垫覆盖,并且适当地延长混凝土的养护时间。
        3)采用粉煤灰作为混凝土的矿物掺合料,减少水泥用量,选用干缩率小、放热少的粉煤灰水泥,避免使用 含量高的水泥。
        4)采用膨胀混凝土来补偿混凝土由于由收缩应力和温变应力而产生的裂缝。选用UEA(硫铝酸钙类)膨胀剂,并以外掺法掺入符合规范要求的掺量。
        5)粗骨料应该选用二级或多级级配。
        6)参考文献
        [1] 朱耀台, 詹树林. 混凝土裂缝成因与防治措施研究[J]. 材料科学与工程学报, 2003, 21(5):727-730.
        [2] 方燕, 刘仍光. 补偿收缩混凝土在混凝土结构裂缝控制中的应用及存在的问题[J]. 居业, 2007, 28(3):61-64.
        [3] 黄昕, 江筠, 李文祥,等. 辛亥革命博物馆环梁-环形牛腿钢骨混凝土梁柱复杂节点施工技术[J]. 施工技术, 2014, 43(10):36-40.
        [4] 丁亮. 环形混凝土构筑物的变形特点与新施工工艺研究[D]. 青岛理工大学, 2014.

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