卧龙湖大桥墩身裂缝原因分析及控制措施
卧龙湖大桥墩身
裂缝原因分析及控制措施
中铁十四局集团三公司吴春朝
【摘要】本文根据施工中出现的问题和自己在施工中采取的措施详尽的论述了长大边长混凝土结构裂缝出现的基本认识,指出长大边长混凝土结构裂缝出现主要由于混凝土的收缩和温度变形受到约束后,结构构件内会产生较大的拉应力导致裂缝。并结合施工中采取的一些有益措施，对类似结构的设计与施工有很高的借鉴价值。
【关键词】墩身裂缝长边约束控制措施
一、工程概况
卧龙湖大桥横穿卧龙湖水库，卧龙湖大桥中心桩号K1+370，左右幅分离设计，上部构造采用现浇预应力砼V型支撑连续箱梁，跨径组合为30+12×40+30m，全长547.88m。全桥14孔一联，箱梁顶宽除右幅第1～3孔宽度由23.055～20.75m过渡外，其余箱梁单幅顶宽均为20.75m，箱梁底宽不加宽段为15.75m，右幅1～3孔为加宽渐变段，横向设计为单箱三室截面。箱梁距路线中心线10.875m处梁高170㎝，墩顶处梁体总高为716.9㎝，呈空心”型，梁底设盆式支座。桥梁下部构造为实体式墩和肋板式桥台，墩身
17.45米，高度1.66~4.579。基础为直径1.50m和1.20m嵌岩桩（群桩），钢筋砼承台。
二、施工及监测情况
本桥墩身于二○○五年八月三十一日开始浇筑墩身至十二月底已完成19个墩身，在墩身钢筋施工时，对配筋我部已向监理和设计部门提出改善布筋方案，没引起各部门重视就不了了之，墩身砼配比选定时我部也对水化热和砼收缩方面做了考虑，通过添加NOF-8型外加剂延缓凝结时间，放缓水化热释放过程，浇筑前做了交底，过程中也做了检查总结，施工后及时覆盖养护，墩身在拆模时都未发现裂缝，基本上在水化热高峰阶段没出现裂纹，降温初期也未出现，由于洒水养护到位，基本也无龟裂现象。对其中5#左墩通过埋入内置测温计，内部最大温升达58o C。但大部分在浇筑20天以后陆续出现了于垂直于长边的方向出现较长的裂纹，裂纹宽度在0.05~0.25mm，长度0.5~3.0m，基本是对称出现在墩身两侧。三、墩身裂缝分析
我部根据现场检测、调查、分析并结合以往类似问题的经验认为此类裂缝的主要原因是由于砼的收缩和温度变形引起的，查阅文献资料易知，混凝土结构裂缝是混凝土材料释放内部过大变形能的结果,裂缝削减了该处截面拉应力的峰值。混凝土结构上出现可见裂缝几乎是一种不可避免的现象。通过裂缝减少变形能是混凝土材料的固有特性。混凝土在成型过程中,由于水泥的水化作用和拌合水蒸发必然产生失水收缩变形。在施工阶段,尽管混凝土的养护条件能够影响混凝土的收缩过程和收缩应力分布,良好的养护质量可以有效减少混凝土的早期收缩裂缝,但对混凝土的最终收缩量影响很小。混凝土的相对收缩量主要取决于水泥品种、用量和水灰比,混凝土的绝对收缩量除与这些因素有关外,还与构件施工时的最大连续边长大致成正比。结构混凝土成型后,构件的体积(边长)随大气温度周期变化而波动,这种变形
的绝对数量基本上与温差和构件成型后的最大连续边长成正比,最大变形发生在混凝土收缩变形完成之后。当温度降低时,构件产生的缩短变形会与混凝土的收缩变形相叠加,这也是在降温容易发现结构裂缝的重要原因。当混凝土的收缩和温度变形受到约束后,结构构件内会产生较大的拉应力,并导致裂缝。这类裂缝的形态有共同之处,即裂缝一般发生在有较大连续边长且长向两端边界受到约束的构件上;裂缝的方向与混凝土内主拉应力方向相垂直,但裂缝位置不确定;裂缝的中部宽度较大,易沿构件截面的较小边贯通;裂缝的开口宽度一般随构件受拉边缘的配筋率增大而减小；裂缝出现后,裂缝处的钢筋应力才有明显增加,钢筋才开始明显发挥约束裂缝开展的作用,这种作用与裂缝处钢筋的应力值及表面形状均有关。混凝土的最终收缩和温度变形(基本稳定值)主要与材料固有性能相关,设计上增加配筋率和施工上保证混凝土良好的养护质量均不能从根本上改变材料的这种固有性能。为减少这种变形对结构的不利影响,除保证构件有适当的配筋率、良好养护质量(温度与湿度)外,设计上应尽量避免设置或弱化构件长边方向两端的变形约束，通过设置施工缝减小构件成型时过大的连续边长或掺加纤维材料等措施提高砼抗拉性能。
四、有关裂缝检算资料
从以上分析资料可知，长大边长因混凝土的收缩和温度变形受到约束不可避免的会产生裂缝，但对砼连续边长极限长度应有一个数量观念，针对墙式墩身可以通过如下经验公式检算得知：
根据《简明施工计算手册》（汪正荣 朱国梁编著）P475有关公式计算如下： Lmax=1.5ερ-?aT aT
arch C Ec
H
式中Lmax —板允许最大伸缩缝间距
H —板厚的计算厚度，当实际厚度H ≤0.2L 时,取H=H,即取实际厚度,当当实际厚度H ≥0.2L 时,取H=0.2L ，其中L 为板全长。
Ec —板砼的弹性模量
C —反映地基约束程度的系数， C10以上砼取1.0~1.5N/mm 3
T —结构相对地基的综合温差，包括水化热、气温和收缩当量温差。当厚度＜0.5时，不考虑水化热影响；T=T y （t ）+T 2+T 3
其中T y （t —收缩当量温差，由收缩相对变形公式得T y （t =-
()αεT Y T 2—水化热温差
T 3—大气温差
α—砼和钢筋砼的线膨胀系数1.0×105
εy —各龄期砼收缩变形量
εy （t ）=εy0（1-e -0.01t ）M 1M 2M 3…M 10
以1#墩为例，墩身基本数据：墩身宽度2米，高度3.644米,宽度15.75米；横桥向配置φ10圆钢，配筋率0.05%；砼强度等级为C30，基础为C25砼，墩身主筋锚入基础。 砼配合比 水泥：砂：石：水：外加剂 =440：652：1110：185：2.64
考虑施工条件正常和配筋率、水灰比情况，取M1、M2、M3、M4、M5、M9、 M10为1.0，验算龄期15天 取M6为0.93，环境湿度按照70%取影响系数0.77，几何尺寸影响系数M8为1.4。
于是有：墩身砼经15天龄期的收缩变形为ε
y （15）=εy0（1-e -0.15）*0.93*0.77*1.4=3.24*10-4 *0.139*0.93*0.77*1.4=0.452×10
-4 收缩当量温差T y(15)= ε
y （15）/α=0.452×10-4/1.0×10-5=4.52O C 砼上下面降温10 O C ，砼水化热绝热温升值T=CQ/cp*（1-e -mt
）=71.5O C 则水化热平均降温差T 2=10O +2/3*71.5
O =57.8O C
由于气温较平稳,气温差忽略不计,则墩身砼遭受的总温差为: T= T y(15)+ T 2=62.3O C
砼的极限拉伸εpa(15)= εpa(15)ln15/ln28=0.5f ct (1+p/d)*0.813*10-4
=0.5*2.1*(1+0.05/1)*0.813*10-4
=0.896×10-4
考虑砼的抗拉徐变变形比抗压徐变变形大一倍
即 εp(15)= 2εpa(15)=2×0.896×10-4=1.79×10-4
15d 砼的弹性模量E (15)=3.0×104(1-e
-0.009t ) =3.0×104
(1-e -0.009×15) =2.22×104Mpa
则有砼边长极限长度Lmax=1.5ερ-?aT aT
arch C Ec
H
=1.5 455410
79.13.62100.13.62100.10.11022.23150---?-???????arch =11219.3×0.87
=9752.09mm=9. 8m
可见桥墩本身的结构设计在既有施工条件下只能满足墩身宽度在10米左右。
从以上粗略的计算分析对比来看，可以看出如要保证墩身无收缩和温差变形裂缝，再不能改变墩身和承台之间约束的情况下，现有施工条件下这种结构设计是不能满足的；当然影响砼开裂的原因很多，以上只是从几个主要影响因素进行的分析；所取参数也会与现场实际情况有所差异。 五、裂缝控制措施
经与设计部门、有关专家、业主有关部门探讨，采取如下措施进行控制：
㈠设计方面
1、采用较小直径（Φ12）的螺纹钢筋分散布置
2、适当布置构造钢筋，有必要采用双肢闭合箍筋
3、通过设计检算，在局部受拉超限处进行加筋补强
4、模拟施工工况，在绝热温升较高处布设外连通冷却管
5、再设计同类结构时，墩身几何尺寸应设计成倒梯形，底边长度设计在10米以内。
㈡施工方面
为防止裂缝开展，我们着重在控制温升，减小温度应力方面采取一系列技术措施
1、水泥，在大体积砼施工中，水化热引起的温升较高，降温幅度大，容易引起温度裂缝。并尽量降低单位水泥的用量。
2、外加剂和掺合料为满足现场浇筑时砼的坍落度，如果单纯增加单位用水量，不仅多用了水泥，加剧砼的干燥收缩，而且使水化热增大，容易引起
通过配比优化，降低了水泥用量，延缓了凝结时间。
3、控制出机温度：对砼出机温度影响最大的是石子和水的温度，砂的温度次之，水泥的温度影响较小。因此降低出机温度的最有效的办法是降低石子的温度。在夏季气温较高时，为防止太阳的直接照射，砂、石堆场宜设置遮阳棚，必要时部分拌合用水以碎冰形式加入，为了砼的均匀性，在搅拌终了前，应使砼拌合物中的冰全部溶化；冬季气温较低时，拌和过程不加热。
4、控制浇灌温度砼从搅拌机出料后，经运输、泵送，浇灌振捣，抹面等工序后的温度为浇灌温度，在夏季气温较高时，为了降低砼的最高温升，减小基础温差和内外温差，尽量减少冷量损失，可采取加大浇灌强度，缩短浇筑时间，及在泵车水平输送管上覆盖草袋等，并在其上经常喷淋冷水，减少泵送过程中吸收太阳的辐射热；冬季气温较低时，浇筑空间不封闭，终凝后及时覆盖封闭加温。
5、砼的施工：确保砼均匀密实。砼坍落度各车不要有大的差异，浇筑基础时坍落度可控制在100—140mm，坍落度大时会使表面钢筋下部产生水分，或表层钢筋上部的砼产生细小裂缝。为防止这种裂缝，在砼初凝前和砼预沉后采取二次抹面压实措施。砼浇灌时，搅拌车在卸料前，要求高速运转一分钟，确保进入泵车受料斗的砼质量均匀。浇筑合理分段，分薄层进行，使砼高度均匀上升，砼浇筑应连续进行，间歇时间不能过长，在前层砼初凝前必须把后层砼浇上。浇筑应在室外气温较低时进行，砼浇筑气温不宜超过28℃，在炎热的气候条件下应采取降温措施。
6、水化热测定：
砼浇筑时应设专人配合预埋测温计，埋设位置基本按照温度梯度进行埋设，测温工作应连续进行，开始1-5天宜2小时测一次，以后可逐渐延长为每4小时，8小时，12小时测一次。应控制砼内部温度与外表温度差不大于25℃，否则要加大冷却水管水循环进行降温。
7、砼养护：在尽量减小砼内部温升的前提下，大体积砼的养护是一项关键工作，必须切实做好。养护主要是保持适宜的温度和湿度条件，保温的目的有两个，一是减小砼表面的热
扩散，减小砼表面的温度梯度，防止产生表面裂缝；二是延长散热时间，充分发挥砼强度的潜力和材料松驰特性，使平均总温差对砼产生的拉应力小于砼的抗拉强度，防止产生贯穿性裂缝。潮湿养护的作用：一是刚浇筑不久的砼，尚处在凝固硬化阶段，水化的速度较快，适宜的潮湿条件可防止砼表面脱水而产生干缩裂缝；二是保温保湿利于早期强度的增长，还可减少砼的早期相对收缩量。我部通过搭设温棚，棚内利用火炉和电钨灯加温，利用电热丝烧水保湿；通过测温数据看，内部最大温升56o C，表面达32 o C，棚内温度18 o C。内外温差最大达24 o C，满足规范要求。
六、结束语
随着工程创新求异的设计理念，设计单位很多情况下没有细细验算结构在各种情况下的受力状态，施工单位仓促上马也很难意识到相应情况，实践证明，因时因地，从设计和施工两方面入手，加强协调配合，采取有利措施，才能够确保工程优质。
参考文献:
1.<简明施工计算手册>中国建筑工业出版社(汪正荣朱国梁编著) 1997年4月第一版第九次印刷
2.<关于混凝土结构裂缝问题的思考> 潘立(中国建筑科学研究院建筑结构研究所北京100013) 工业建筑2000年第30卷第5期