异形梁清水混凝土开裂风险评估及抗裂措施研究

2023-03-21张继忠薛海龙郑河舟

建材与装饰 2023年9期

张继忠，薛海龙，郑河舟

（1.山西省安装集团股份有限公司，山西太原 030032；2.中铁建工集团有限公司，北京 100160；3.中铁十二局集团建筑安装工程有限公司，山西太原 030024）

0 引言

清水混凝土是一种少有的、同时兼具力学承载性能和极佳装饰性能的建筑施工工艺，通过该工艺能够实现自然稳重、朴实无华的装饰效果，因此被广泛地运用于高架桥梁、大型高铁车站等市政交通工程中[1-4]，近年来在民用建筑和工业建筑上也有了一定的应用。高铁站房作为客流量较大的公共交通枢纽，采用清水混凝土梁柱结构，除可保证结构安全外，还可营造厚重与清雅的美感，这是其他装饰材料无法做到的。但为提升清水混凝土的整体外观质量和装饰效果，常常需通过增加混凝土中的胶凝材料用量来保证颜色质量和表面平整密实度[5]。而对大体积混凝土的温度裂缝控制，一般主要是通过降低混凝土中胶凝材料的用量，进而控制结构放热量和温升，因此二者之间存在一定的矛盾。本文基于雄安站站房墩柱上部的清水混凝土梁结构特性和材料性能，对清水混凝土早期温升及开裂风险进行评估计算，针对性提出裂缝控制措施，并将最终的监测结果与计算结果进行了对比，验证裂缝控制技术的合理性。

1 工程概况

雄安站位于雄安新区雄县城区东北部，距起步区20km，总建筑面积47.52 万m2，地上3 层，地下2 层。站房以“建构一体”为设计原则，将自然、朴素作为理念与特色，通过优化首层候车大厅及两侧城市通廊的清水混凝土开花柱和弧线型清水混凝土异形梁的梁柱关系，强化整体的结构美，表达开放包容、兼容并蓄的建筑气质。该工程清水混凝土结构建筑面积约3 万m2，墩柱主要截面尺寸为2.7m×2.7m，异形梁高3.2m，梁宽1.2～1.9m，跨度30m，上部梁与墩柱采用弧形连接，梁柱总高14.215m，混凝土设计强度等级为C50。项目实施阶段，清水混凝土墩柱和梁分两次浇筑，即先浇筑至下部墩柱8.4m 高度位置，再浇筑上部弧形连接段和梁部分。由于两次浇筑时间间隔较长，梁浇筑时墩柱温度变形已经基本完成，因此梁的早期收缩变形受到底部墩柱的约束较大，且梁与柱弧形连接处厚度逐渐变大，其内部温升也会增加，经分析研究可知异形梁混凝土存在较大的开裂风险，因此本文针对上部异形梁清水混凝土结构进行开裂风险评估与控裂措施研究。

2 开裂风险评估计算

2.1 计算模型及参数

采用MIDAS/FEA 软件建立墩柱、梁的有限元计算模型。异形梁高3.2m，宽1.2～1.9m，单根梁悬臂长约15m，梁与柱交接处总高5.2m。异形梁混凝土配合比如表1 所示。根据相关试验结果和工程经验，C50 清水混凝土的热力学参数取值列于表2。另外，在计算时采用水化度来描述混凝土弹性模量和抗拉强度随龄期的发展。

表1 清水混凝土配合比单位：kg/m3

表2 C50 清水混凝土热力学参数

计算考虑了气温较低的冬季和气温较高的夏季两种工况，混凝土入模温度分别为15℃和35℃，平均气温分别为10℃和30℃。梁采用钢模板支护，钢模板散热系数为70kJ/（m2·h·℃）。开裂风险评估考虑保温措施的使用对开裂风险的影响，据此来给出抗裂措施建议。

2.2 开裂风险评估准则

评估过程中定义结构混凝土开裂风险如式（1）所示。

式中：σ（t）——t 时刻的混凝土最大拉应力；ft（t）——t时刻的混凝土抗拉强度。

一般认为η>1.0 时，混凝土一定会开裂；考虑材料性能波动，认为0.7<η≤1.0 时混凝土存在一定开裂风险；η≤0.7 时混凝土基本不会开裂。

2.3 无保温措施下开裂风险评估结果分析

夏季和冬季浇筑工况下的梁温度和开裂风险曲线如图1 所示，图中分析所选取的特征点分别为梁柱交接处混凝土中心点（靠近下部墩柱位置）、横梁中心点和横梁侧表面点。

由图1a 可见，冬季15℃入模、无保温措施工况条件下，梁柱中心和梁中心在2.5d 龄期达到温峰52.8℃，温升37.8℃。梁中心与梁侧面最大温差为21.2℃。而在夏季35℃入模条件下，由于混凝土放热速率明显加快，梁柱中心和梁中心温峰均达到79.0℃左右，温升幅度达到44℃，相比于冬季工况上升了6.2℃，梁中心与梁侧面的内外温差也达到了25.1℃，超过了大体积施工规范规定的25℃标准。由此可见混凝土入模温度越高，越不利于温升和温差的控制。由图1c、图1d 结果可知，梁柱中心和梁中心最大开裂风险均超过了0.7 的安全阈值，均有一定程度的开裂可能。特别是距离墩柱较近的梁柱中心位置，冬季工况下最大开裂风险为0.84，夏季工况则达到0.91，存在相当大的开裂可能性。这主要是由于梁柱中心处温升高，温降幅度大，其收缩变形受到底部先浇筑墩柱的约束更为显著。对于梁身侧表面而言，夏季工况下内外温差较高，开裂风险最大达到1.1 左右，可认为梁侧表面一定会发生开裂。冬季工况下梁侧面与中心内外温差较低，但侧面开裂风险仍超过了0.7，无法达到裂缝控制目标。

图1 不同季节浇筑工况下梁早期开裂风险评估结果

分析可知，如果梁浇筑时表面不采取保温措施，梁中心与侧表面均存在较高的开裂可能，特别是夏季高温入模工况下开裂风险更高。因此需考虑采用一定的保温措施加以控制。

2.4 保温措施对梁开裂风险的影响

清水混凝土梁拆除模板后表面散热较快，会造成结构内外温差的上升以及降温速率的加快，不利于早期裂缝控制。基于此，考虑在梁模板拆除后使用覆盖保温措施以控制表面散热。根据现场施工具体情况，兼顾经济性和可操作性，考虑采取塑料薄膜加土工布包裹覆盖保温的方法，根据《大体积混凝土施工标准》（GB 50496—2018）可知，土工布导热系数较低，约0.05W/（m·K），则3mm 厚土工布和塑料薄膜保温养护下的混凝土表面散热系数约25kJ/（m2·h·℃）。由于钢模板散热系数较大且不易保温，因此建议将拆模时间提前至1d 龄期，拆模后立即采用保温措施养护。

采用保温措施后，梁柱中心和梁中心位置温峰值虽略有增加但幅度不大，而梁侧表面温峰则显著上升，且梁内外降温速率均有一定减缓。采用保温措施后，冬季15℃入模工况下最大内外温差由21.4℃降低至12.8℃，夏季35℃入模工况下最大内外温差由25.1℃降低至16.1℃，内外温差降低效果显著。梁柱中心和横梁中心的开裂风险均有了明显下降。除夏季高温入模工况的梁柱中心以外，其余位置的开裂风险均降低至0.7以下，满足了裂缝控制目标。主要是保温措施降低了温降速率，减缓了收缩拉应力的发展趋势，并增加了徐变作用的发挥。对于开裂风险较高的梁侧表面，保温措施均降低了开裂风险系数20%以上，冬季工况下开裂风险小于0.7，基本不会开裂。夏季工况由于温升速度快，1d 龄期前钢模散热系数大，造成拆模前开裂风险超过了0.7，但拆模使用保温措施后开裂风险就快速下降至0.7 以下。

因此，保温措施的使用可有效降低夏季和冬季入模工况下清水混凝土梁的开裂风险，使得冬季浇筑工况实现基本不开裂的控制目标。夏季高温入模工况下梁柱中心和侧表面仍有一定的开裂可能性，可考虑通过降低入模温度来进一步控制开裂风险。

3 异形梁工程监测结果分析

为判断开裂风险评估结果的正确性和保温抗裂措施的有效性，准确判断梁体开裂情况，对雄安站2019年12 月21 日浇筑的某一异形清水梁进行了温度和应变监测，在横梁中心、横梁侧表面、梁柱中心位置埋设了温度和应变监测探头。实际浇筑时，异形梁混凝土浇筑的入模温度约14.7℃，平均气温约8℃，与评估工况基本相同。施工过程中梁柱交接的位置使用钢模板，横梁位置处使用木模板，木模板导热系数远低于钢模板，计算可得未拆模前混凝土散热系数约20kJ/（m2·h·℃）。木模板保温效果较好，相比于钢模板更有利于横梁内外温差的控制，拆模后梁表面均采用塑料薄膜包裹，再覆盖养护土工布进行保温。

将温度监测结果与冬季15℃入模工况的计算结果对比于可知，施工中异形梁中心位置处在2.5d 龄期达到温度峰值52.8℃，评估结果中为3d 达到温峰54.0℃，二者的温度峰值与温峰时间均吻合较好。而梁侧表面处温度峰值的监测结果高于计算结果约5℃，差别较为明显。分析可知：一方面由于实际使用的木模板保温效果更好，另一方面由于评估中选取的表面点为距表面测点5cm 处的节点，而实际表面温度监测点的位置距离表面超过5cm，因此可能存在一定的差距。总体上二者温度曲线的特征值和发展趋势均有较高的一致性。

清水混凝土异形梁柱交接中心处最大应变值为361.8με，横梁中心处最大应变为339.55με，结构单位膨胀温升变形约11με/℃，温降阶段单位收缩变形约12με/℃。监测结果显示结构温升和温降阶段应变变化均匀，未出现明显跳点，说明梁柱中心和横梁中心位置未发生开裂，且梁混凝土表面上也未找到裂纹。这一结果符合评估预期，证明了保温抗裂措施的合理性。