桥梁拱座结构混凝土裂缝控制技术
程华强 陈军 张建亮 姚婷. 桥梁拱座结构混凝土裂缝控制技术[J]. 施工技术，2019，49（8）武汉市城乡建设委员会科技计划项目(201861);浙江省空间结构重点实验室开放基金(201802);.
CHENG Huaqiang CHEN Jun ZHANG Jianliang YAO Ting. Engineering Application of Crack Control Technology for Skewback Concrete of Arch Bridge[J]. build，2019,49（8）武汉市城乡建设委员会科技计划项目(201861);浙江省空间结构重点实验室开放基金(201802);.
0 引言
我国目前已成为世界桥梁大国, 多座桥梁已跃居世界桥梁跨度前列
1 工程概况
武汉市汉口—阳逻江北快速路新河段施工工程新建新河大桥为钢管混凝土拱桥, 该工程承台为哑铃形大体积结构, 拱座设于哑铃头上部, 拱座混凝土设计强度等级为C50, 单个拱座长度为8～15m, 宽度为4～9.2m, 最大高度约16m, 混凝土方量1 460.3m3, 分3层浇筑, 第1, 2层浇筑高度均为4m, 属于典型的极易开裂大体积异形混凝土结构, 如图1所示。拱座处于先期浇筑的承台结构的强约束条件下, 预计施工期收缩开裂风险较大。拱座结构混凝土浇筑施工期为5—6月, 施工期内气温在25～35℃, 裂缝控制难度较大。
图1 三维网格模型
Fig.1 Three-dimensional grid model
2 结构混凝土开裂风险评估
2.1 开裂风险定义
采用结构混凝土主拉应力与抗拉强度之比表示开裂风险, 具体定义为:
开裂风险评判准则如下。
1) 开裂风险η>1时, σt (t) >ft (t) , 混凝土已经开裂。
2) 开裂风险η=1时, σt (t) =ft (t) , 混凝土达到理论上的临界开裂状态。
3) 开裂风险0.7≤η<1时, 0.7ft (t) ≤σt (t) <ft (t) , 考虑混凝土早龄期性质的不确定性及模拟计算的误差, 混凝土具有开裂可能性。
4) 开裂风险η<0.7时, σt (t) <0.7ft (t) , 混凝土不会开裂。
2.2 开裂风险评估
多因素耦合作用下混凝土开裂的研究
为降低拱座结构混凝土的开裂风险, 同时考虑采用冷却水管降温、外保温及抗裂功能材料 (HME) 工况, 如表1所示, 对3种工况进行开裂风险数值模拟:第1种工况REF为不采用冷却水管、HME和外保温措施, 第2种工况LQSG-BW为采用冷却水管和外保温措施, 第3种工况LQSG-HME-BW为采用冷却水管、HME和外保温措施。
表1 代表性工况条件
Table 1 Representative working conditions
掺加HME和不掺加HME的混凝土绝热温升曲线如图2所示。拱座结构混凝土温度场模拟曲线如图3所示, 其中图3a为结构中心温度场模拟曲线, 图3b为结构上表层温度场模拟曲线, 图3c为结构中心-顶面的里表温差模拟曲线, 即里-上表温差, 图3d为结构中心-侧表面的里表温差模拟曲线, 即里-侧表温差, 图3中REF曲线以下横轴为坐标轴, LQSG-BW和LQSG-HME-BW曲线以上横轴为坐标轴。拱座结构第2层浇筑时间为第1层浇筑后10d, 因此, 图3b中第10天出现温度跳变。冷却水管的工作时间也设置为10d。
图2 混凝土绝热温升
Fig.2 Adiabatic temperature rising of concrete
图3 温度场模拟曲线
Fig.3 The simulation curves of temperature fields
以图3a中心温度场的REF和LQSG-HME-BW曲线作为变温条件, 分别使用2台SBT-ES180混凝土温湿度模拟试验箱提供中心温度场的变温条件, 设置入模温度为27℃, 测试混凝土自生体积变形、弹性模量和抗拉强度。在变温条件下, 混凝土自生体积变形曲线如图4所示, 测试的多组混凝土弹性模量拟合曲线如图5所示, 测试的多组混凝土抗拉强度拟合曲线如图6所示。
图4 混凝土自生体积变形
Fig.4 Autogenous volume deformation of concrete
图5 混凝土弹性模量
Fig.5 Elasticity modulus of concrete
图6 混凝土抗拉强度
Fig.6 Tensile strength of concrete
使用结构混凝土早期开裂风险评估分析系统
由图7可知, 采取冷却水管和保温措施可显著降低拱座结构混凝土开裂风险, 尤其是对结构顶部和侧面最为突出。由图7c可知, 结构顶部混凝土开裂风险在10d内<0.7, 且曲线趋平, 结构顶部无开裂风险, 说明抑制混凝土的水化温升是控制大体积拱座结构混凝土裂缝的关键因素;在采取冷却水管和保温措施的情况下, 同时采用HME, 可进一步有效降低结构混凝土开裂风险, 由图7b和图7d可知, 采用HME后, 结构侧面中部开裂风险<0.7, 可确保结构中心和表面无裂缝产生, 说明采用合适的抗裂功能材料对大体积拱座混凝土的裂缝控制具有良好效果。
图7 拱座结构混凝土开裂风险数值模拟曲线
Fig.7 Numerical simulation curves of cracking risk for skewback concrete
但由图7a可知, 虽然采取冷却水管、保温措施和HME可大幅降低结构根部中心的开裂风险, 但其开裂风险仍在0.7～1.0, 即说明先期浇筑的承台结构对后期浇筑的拱座结构的约束应力是导致拱座结构混凝土开裂的首要因素, 也为裂缝控制的最大难点。
因此, 在施工过程中务必确保裂缝控制措施的落实, 避免结构内部裂缝扩展至结构表面。
3 裂缝控制措施
3.1 施工工艺措施
1) 冷却水管降低水化温升
参考数值模拟结果, 本工程采用冷却水管削弱结构混凝土水化温升和温度梯度, 冷却水管沿x轴 (见图1) 方向铺设, 高度方向水管层间距为1.0m, 布设高度分别为0.5, 1.5, 2.5, 3.5m, 平面方向管间距为0.95～1.05m (随着高度增加, y轴长度减小, 因此, 同一平面管间距略有差异) 。
2) 保温保湿
工作结构混凝土使用钢模板, 散热较快, 混凝土进入温降阶段后, 采用保温棉对结构混凝土进行覆盖保温, 模板拆除后, 采用温水对结构混凝土表面进行制雾喷淋, 温水温度较混凝土表层温度高10.0～15.0℃, 控制混凝土里-上表温差≤15.0℃, 里-侧表温差≤25.0℃。
3.2 采用抗裂功能材料
抗裂功能材料选用HME系列氧化镁温控防渗复合抗裂材料, 其为一种包含改性氧化镁抗裂材料和水化热调控材料的复合产品。改性氧化镁抗裂材料在混凝土温降阶段具有有效的收缩补偿性能, 水化热调控材料
3.3 控制混凝土入模温度
为避免日间高温及交通拥挤影响, 混凝土在夜间浇筑施工, 同时, 严格控制混凝土原材料温度, 确保混凝土入模温度≤30.0℃。
3.4 应用在线监测技术
采用混凝土温度-应变无线监测系统 (见图8) 对拱座结构混凝土温度和变形进行在线实时监测, 并按照控温措施设置报警阈值, 若实测温控数据超过设定阈值, 则进行手机短信息和电子邮件通知报警。
图8 混凝土温度-应变在线监测系统
Fig.8 Concrete temperature-strain on-line monitoring system
混凝土浇筑前, 预先埋设测试元件, 设置测点位置为:底层 (标高0.100m, 横截面中心) 、结构中心 (标高2.000m, 横截面中心) 、侧表层 (沿图1所示x轴方向, 标高2.000m, 距侧表面中心0.1m) 、上表层 (标高3.900m, 横截面中心) 及环境温度。
在线监测技术主要作用为: (1) 施工信息反馈 即可根据测试数据判断浇筑施工进度、混凝土性能参数 (入模温度、温升时间等) 、冷却水系统运行情况、裂缝控制措施的落实情况等; (2) 开裂风险预警 即根据测试数据判断结构混凝土是否面临开裂风险, 以便采取相应措施, 如缩短或延长拆模时间、调整冷却水管通水速率、调整外保温措施等; (3) 便于裂缝控制技术的数据积累, 数据积累成库, 形成大数据, 以更加综合有效地为混凝土裂缝控制技术提供可靠指导。
4 裂缝控制措施执行情况及效果
4.1 裂缝控制措施执行情况
拱座混凝土自浇筑开始50h内的温度曲线如图9所示。由图9可知, 由于夜间施工, 受环境温度影响, 混凝土入模温度在28.0～29.6℃, 混凝土最大温升35.9℃, 底层混凝土温升30℃, 满足裂缝控制措施提出的控制指标。
图9 混凝土浇筑施工50h内的温度曲线
Fig.9 Temperature curves of concrete within 50h after pouring
图9中标识的A, B, C, D点反映出混凝土浇筑至相应测试位置的时间和入模温度, 通过该曲线可清晰看出混凝土浇筑的持续时间、混凝土产生温升的时间等。现场按混凝土产能60～80m3/h作为参考, 若2个高度测点的混凝土浇筑时间间隔较长, 技术管理人员则须及时核实原因, 确保浇筑施工正常进行。
拱座混凝土144h内温降阶段温度曲线如图10所示。图10所示曲线可反映出混凝土的温降速率、冷却水管控温效果等信息。在工程施工中, 由于其他施工作业或设备故障等原因, 出现冷却水系统暂停工作的情况, 导致温度曲线出现明显波动, 为此, 现场进行及时调整, 最终使整个过程保持在可控范围内。为进一步降低底层混凝土开裂风险, 至110h时, 通过调整冷却水管通水速率, 降低底层混凝土降温速率, 由图10可知, 110h后, 底层混凝土降温速率明显降低。
图1 0 混凝土温降阶段的温度曲线
Fig.10 Temperature curves of concrete in temperature dropping stage
拱座混凝土18d内的里-侧表温差和里-上表温差曲线如图11所示。由图11可知, 混凝土最大里-侧表温差为24.8℃, 恰好满足温控措施要求, 最大里-上表温差为16.8℃, 有1.1d时间>15℃的温控指标, 该时段正值第2层浇筑前1d左右, 施工现场面临面层清理等施工作业工序。时间在9～10d开始里表温差迅速降低, 是由上层混凝土浇筑引起。
图1 1 混凝土里表温差曲线
Fig.11 Temperature difference curves of inner-surface concrete
拱座混凝土侧表层的温度与变形曲线如图12所示。由图12可知, 侧表层水化温升25.8℃, 最大膨胀变形358με, 按混凝土温度膨胀10με/℃计算, 在补偿收缩的情况下, 仍产生100με的微膨胀, 混凝土在温降阶段收缩变形速率小于温降速率, 说明在混凝土温降阶段, 抗裂功能材料HME仍可释放有效膨胀能, 以避免混凝土产生温度裂缝。
图1 2 侧表层混凝土温度与变形曲线
Fig.12 Temperature and deformation curves of lateral surface concrete
4.2 裂缝控制效果
在本工程裂缝控制工作中, 抗裂功能材料HME在混凝土温降阶段有效补偿混凝土收缩, 且对整个施工养护过程实时监测和及时调整, 尤其在温控养护过程中, 在线监测技术起到至关重要的作用, 不至于发生养护不及时、不到位的情况。该工程拱座结构混凝土已浇筑完成12个月, 期间, 经过多次现场观测, 均未发现裂缝, 实现良好的裂缝控制效果 (见图13) 。
5 结语
1) 采取多因素耦合数值模拟方法, 混凝土基本性能参数通过数值模拟变温条件获得, 更符合工程结构实体实际情况, 以此获得混凝土抗裂性能数字化参数, 对工程施工工艺和养护措施的制定等具有良好的指导意义。
图1 3 新建新河大桥拱座
Fig.13 Skewback of new Xinhe Bridge
2) 桥梁拱座结构混凝土开裂风险较大, 导致其开裂的首要因素为先浇部分对后浇部分的约束应力, 其次为结构混凝土温控措施, 采用抗裂功能材料可有效降低结构混凝土开裂风险。
3) 在线监测技术作为辅助工程管理重要手段, 实时监控裂缝控制措施实施情况, 对结构混凝土裂缝控制起到至关重要的作用。
[2]李军.大型桥梁产生变形的原因分析及监控方法研究[J].施工技术, 2016, 45 (S2) :352-354.
[3]梁瑶.桥梁施工监控技术[J].施工技术, 2014, 43 (S1) :338-340.
[4] GAWIN D, PESAVENTO F, SCHREFLER B A. Hygro-thermochemo-mechanical modelling of concrete at early ages and beyond. Part II:Shrinkage and creep of concrete[J].International journal for numerical methods in engineering, 2006, 67 (3) :332-363.
[5] LUZIO G D, CUSATIS G. Hygro-thermo-chemical modeling of high performance concrete. I:Theory[J]. Cement&concrete composites, 2009, 31 (5) :301-308.
[6] LI H, LIU J P, WANG Y J, et al. Deformation and cracking modeling for early-age sidewall concrete based on the multi-field coupling mechanism[J]. Construction building materials, 2015 (88) :84-93.
[7] TIAN Q, LI M, YAO T, et al. Multi-field coupling shrinkage cracking model of concrete and its application in civil engineering[C]//3rd Interna-tional RILEM Conference on Microstructure Related Durability of Cementitious Composites, 2016.