低温施工大体积混凝土桥台裂缝分析

马　良，李怀海，苏文明

(1.山东华鉴工程检测有限公司， 济南　250101； 2.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆　400067)

低温施工大体积混凝土桥台裂缝分析

马良1，李怀海2，苏文明1

(1.山东华鉴工程检测有限公司， 济南250101； 2.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆400067)

摘要：大体积混凝土施工具有水化热高、收缩量大、容易开裂等特点，在低温环境条件的影响下，产生裂缝较难避免。以冬季低温施工产生大体积混凝土桥台裂缝的实际工程为对象，对其桥台裂缝性状进行描述，并结合施工、养护等资料对裂缝成因进行分析，且提出低温大体积混凝土裂缝控制要点。

关键词：大体积混凝土；低温施工；水化热；温度裂缝

大体积混凝土施工具有水化热高、收缩量大、容易开裂等特点。当日平均气温降到5 ℃以下，或最低气温降到0 ℃和0 ℃以下时，混凝土必须采用特殊技术措施进行施工。虽然混凝土低温施工会增加施工成本，但由于大型桥梁施工周期长、工期紧，混凝土低温施工仍不可避免。因此，低温施工时大体积混凝土裂缝控制是施工控制的重点和难点。

结构产生裂缝的原因主要分为2类[1]，一类是结构外部荷载产生的受力裂缝，比如受拉裂缝、剪切裂缝等；另一类是间接作用下产生的非受力裂缝，比如混凝土收缩裂缝、温度裂缝等。实际上混凝土结构中的裂缝很少由单一因素引起，往往由多种原因共同作用所致。因此，只有正确判断裂缝成因，才能对裂缝的性质及其对结构的影响作出科学的评判，以便采取针对性的措施对裂缝进行有效处理。

本文针对某桥低温施工的大体积混凝土桥台进行了裂缝调查和有限元分析，对大体积混凝土桥台浇筑时温度场、应力场进行计算，以判明裂缝产生的原因及性质，并提出大体积混凝土低温施工的防裂措施建议，从而达到控制低温施工的大体积混凝土抗裂的目的。

1桥台裂缝情况调查

某桥上部结构形式为1×30 m刚架拱桥，下部结构形式为桩基桥台。结构设计安全等级为2级，环境类别为Ⅲ类海水环境。2013年11月桥台拆模后，发现桥台前墙、背墙均存在少量竖向裂缝，且浇筑后8 d内桥台裂缝数量和宽度发展迅速。

该桥桥台主要结构尺寸见图1，施工条件和施工工艺见表1，混凝土配合比见表2。

图1　某桥桥台布置示意

结构名称混凝土强度等级施工工艺冷却方式浇筑日期拆模日期当日气温/℃0#桥台背墙C451次分层浇筑冷却管冷却2013-11-262013-11-29-3～70#桥台前墙C451次分层浇筑冷却管冷却2013-11-122013-11-15-1～131#桥台前墙C452次分层浇筑自然冷却2013-11-162013-11-19-2～112013-11-172013-11-20-2～121#桥台背墙C451次分层浇筑冷却管冷却2013-11-012013-11-040～12

表2　混凝土配合比　kg/m3

0#桥台背墙高、低桩号侧各分布5条较为明显的竖向裂缝，最宽0.80 mm，最长5 m。端部裂缝为斜向，中部裂缝为竖向，大部分裂缝呈中间宽两头窄状。裂缝分布见图2。图2中，裂缝7、裂缝9出现在模板搭接处，且高、低桩号侧裂缝呈现位置、宽度、长度、走向等相似的特征，见图2。

0#桥台前墙裂缝的性状、分布与背墙裂缝相似，见图3。

注：图中裂缝宽度单位为mm。下同。

图3　0#桥台前墙裂缝分布示意

2裂缝成因分析

2.1成因初步分析

首先，可以判断裂缝是非受力裂缝，因为从裂缝调查情况及图2、图3可知，裂缝是在桥台混凝土养护过程中出现的，桥梁上部结构并没有进行施工，此时桥台不承受外荷载。其次，可以排除裂缝是混凝土干缩所致，因为混凝土干缩裂缝只出现在表面，且呈龟裂状态[1]。调查资料显示，裂缝主要是在模板拆除之后产生的。由于该桥桥台属于低温施工的大体积混凝土，模板拆除之后新浇筑混凝土直接暴露在低温环境中，而桥台内部混凝土因水化热处于高温状态，混凝土内外温差很大，故直接导致混凝土开裂。初步判断桥台裂缝主要成因为施工过程中水泥水化热及拆模后养护不当引起的温度裂缝。

2.2水化热分析

使用Midas Civil 有限元软件对0#桥台背墙、前墙进行水化热分析，计算采用参数根据混凝土配合比、现场施工及养护条件取值(表1、表2)。另外，还考虑了拆模前后对流系数的变化以及冷却管的降温作用等[2-3]。

2.2.1桥台背墙

对桥台背墙混凝土进行了温度场分析。水化热温度分析结果表明，混凝土浇筑后，结构中心部分温度比表层混凝土高，混凝土浇筑40 h后中心温度达到45.4 ℃，表层混凝土温度处于8.4～27.2 ℃之间，内外温差达到37 ℃，见图4，而JTG/T F50—2011《公路桥涵施工技术规范》规定大体积混凝土的养护温差不宜超过25 ℃[4]。

对桥台背墙混凝土进行了应力场分析。水化热应力分析结果表明，混凝土浇筑初期，0#桥台背墙表层混凝土出现了较大拉应力，见图5。291 h后(模板拆除)，横向1/2截面、1/4截面和1/8截面表层混凝土的第一主拉应力值都超过了混凝土的抗拉强度，见图6。温度应力云图(图5)显示背墙表层混凝土拉应力值中间大、两端小，应力计算结果与现场裂缝形态完全吻合。

图4　浇筑40 h后混凝土水化热温度云图

图5　浇筑291 h后混凝土水化热应力云图

图6　0#桥台背墙表层混凝土温度应力时程曲线

2.2.2桥台前墙

对桥台前墙混凝土进行了温度场分析。水化热温度分析结果表明，混凝土浇筑后，结构中心部分温度比表层混凝土温度高，混凝土浇筑120 h后中心温度最高达到43.9 ℃，表层混凝土温度处于4.2～15.1 ℃之间，内外温差最高能达到39.7 ℃，见图7。

对桥台前墙混凝土进行了应力场分析。水化热应力分析结果表明，混凝土浇筑初期，桥台前墙表层混凝土出现了较大拉应力，见图8。291 h后(模板拆除)，横向1/2截面、1/4截面和1/8截面表层混凝土的第一主拉应力值都超过了混凝土的抗拉强度，见图9。温度应力云图(图8)显示前墙表层混凝土拉应力值中间大、两端小，应力计算结果与现场裂缝形态完全吻合。

图7　浇筑120 h后混凝土水化热温度云图

图8　浇筑291 h后混凝土水化热应力云图

图9　0#桥台前墙表层混凝土温度应力时程曲线

3结论与建议

本文对某桥低温施工的大体积混凝土桥台进行了裂缝调查和有限元分析。分析结果表明，该桥台施工过程中拆除模板后，水泥水化产生的热量足以引起结构混凝土开裂，且桥台前墙裂缝的数量、宽度及深度后期仍会继续发展。

基于该桥桥台水化热计算分析，提出如下低温环境下大体积混凝土综合防裂措施建议[5-8]。

1) 设计时，可考虑配置防裂钢筋网、预埋冷却水管、设置滑移层与缓冲层等。

2) 大体积混凝土浇筑施工时，可采用分层分块浇筑方式，如分层平行推进、分层斜面推进、分层交错推进等。

3) 大体积混凝土拆模时间除考虑混凝土强度达到规定要求外，还要保证混凝土浇筑表面与大气温差不应大于20 ℃。模板拆除后需加塑料薄膜和保温毯继续将混凝土覆盖、保温，以保证其缓慢冷却。

参 考 文 献

[1]徐有邻，顾祥林.混凝土结构工程裂缝的判断与处理[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2]卢二侠.大体积混凝土承台水化热温度分析与控制[D].长沙：湖南大学，2007.

[3]朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京：中国水利水电出版社，2012.

[4]路桥集团第一公路工程局.JTG/T F50—2011公路桥涵施工技术规范[S].北京：人民交通出版社，2011.

[5]中冶建筑研究院总院有限公司.GB 50496—2009大体积混凝土施工规范[S].北京：中国计划出版社，2009.

[6]梁嘉彬.高原环境下冬季大体积混凝土防裂技术研究[D].兰州：兰州交通大学，2012.

[7]李潘武，曾宪哲，李博渊，等.浇筑温度对大体积混凝土温度应力的影响[J].长安大学学报(自然科学版)，2011，31(5)：68-71.

[8]张振铄.冬季高原地区铁路桥墩混凝土保温防裂技术研究[D].兰州：兰州交通大学，2014.

Analysis of Cracks of Mass Concrete Abutments Constructed at Low Temperature

MA Liang1, LI Huaihai2, SU Wenming1

Abstract:Construction of mass concrete exhibits the features such as high hydration heat, large shrinkage and being easy to crack, etc., for which it is inevitable to produce cracks under the influence of low-temperature ambient conditions. With the practical projects in which cracks occur on mass concrete abutments constructed at low temperature in winter as the object, this paper describes characters of cracks on abutments, analyzes reasons of cracks in combination with data of construction and maintenance, etc., and proposes the key points of control for cracks on mass concrete at low temperature.

Key words:mass concrete; construction at low-temperature; hydration heat; temperature crack

文章编号：1009-6477(2016)02-0083-05

中图分类号：U443.21

文献标识码：B

作者简介：马良(1981-)，男，山东省潍坊市人，硕士，工程师。

收稿日期：2015-08-04

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.02.019