大截面混凝土沉井早期裂缝预防措施现场试验研究

胡伟明，马建林，李军堂，蒋炳楠，余允峰(.西南交通大学土木工程学院，四川成都　6003;.中铁大桥局集团有限公司，湖北武汉　430050)



大截面混凝土沉井早期裂缝预防措施现场试验研究

胡伟明1，马建林1，李军堂2，蒋炳楠1，余允峰2
(1.西南交通大学土木工程学院，四川成都610031;2.中铁大桥局集团有限公司，湖北武汉430050)

摘要:多数混凝土的早期裂缝是由混凝土收缩引起的，尽管对于混凝土收缩的研究已取得较大进展，但至今还未被业界完全掌握。本文针对沪通长江大桥超大截面混凝土沉井，通过理论分析，确定引起混凝土收缩的主要因素为温降收缩、干燥收缩和自收缩，继而组织现场试验，分析各因素对该项目现浇混凝土收缩的影响。研究结果表明:控制温度梯度的工程措施对该项目混凝土收缩的作用不明显;通长布置抗裂钢筋可缓解在变截面处出现收缩应力过大的现象;后浇段有助于释放由于混凝土收缩产生的拉应力，进而避免收缩裂缝的产生。研究成果直接用于指导沪通大桥大截面沉井现场施工，并可为今后类似工程提供数据参考。

关键词:沪通长江大桥大截面混凝土沉井早期裂缝防裂措施现场试验

混凝土早期开裂是指结构在施工期间，荷载尚未完全施加时，部分现浇混凝土在拆模或养护过程中出现的裂缝。研究表明，对于混凝土早期裂缝，荷载并不是导致其产生的主要原因，90%以上的早期裂缝是由于混凝土收缩引起，尤其是细长型大截面混凝土结构，收缩更是混凝土开裂的主要诱因。尽管目前对于混凝土收缩的研究已取得较大进展，但因收缩现象的复杂性，至今还未被业界完全掌握［1-2］。本文通过现场试验，从现场施工的角度分析不同工程措施及工艺在预防混凝土早期开裂中的作用。

1　超大截面沉井混凝土收缩力学模型

1.1沉井工程概况

沪通长江大桥主塔28#墩基础采用倒圆角的矩形沉井基础方案。矩形沉井井身平面尺寸为86.9 m×58.7 m，倒圆半径为7.45 m，混凝土沉井壁厚1.8 m，隔墙厚1.3 m，为方便吸泥取土下沉，沉井平面布置为24个13 m×13 m井孔。沉井下部44 m高的范围为钢沉井，其余为钢筋混凝土沉井，底节及顶节高8 m，其余每节高约6 m。沉井平面见图1。

图1　沉井平面(单位:cm)

1.2混凝土收缩力学模型

现有研究成果表明［3-5］，对于混凝土早期裂缝影响较大的因素主要是温降收缩、干燥收缩和自收缩。对于本文研究的沉井，从平面上看，是由许多尺寸相同的局部单元组合而成，故可选取沉井平面的一个局部单元作为计算分析对象。隔墙相交的地方定义为A构件，两个A构件之间的隔墙定义为B构件，如图2所示。因A构件为轴对称且为对称受力，可进一步将B构件两端的A构件简化为固定端，成为B构件的约束。

图2　混凝土收缩分析力学模型(单位:cm)

根据混凝土极限拉伸试验可知，低强度等级混凝土的极限拉伸应变可以按60×10－6来估计［6］。对于本工点采用的C40混凝土，在现场条件下极限拉伸应变可以100×10－6为限。

在上述简化条件下，结合现有研究成果［7］计算可知:温降收缩约为(60～120)×10－6、干燥收缩约为(200～400)×10－6、自收缩为(130～300)×10－6。此处考虑最不利条件，将上述3项全部相加，然后减去混凝土的极限拉伸应变，得到收缩应变为(300～720)×10－6，结合A，B构件的几何尺寸，可得到A构件的裂缝宽度合计为0～1.37 mm，B构件沿轴向的裂缝宽度合计为0～3.6 mm。

因A构件为轴对称构件，其裂缝应为随机且均布的微裂缝，B构件为细长结构，其裂缝产生的位置为结构变截面处，即A构件和B构件的衔接部位。

2　预防开裂的工程措施

为防止沉井因混凝土的收缩效应而产生收缩裂缝，在混凝土沉井施工中增设17个后浇段，将沉井整个断面分割为6个独立的收缩分块。此外，混凝土沉井防裂的技术措施还有增设冷却水管、增加抗裂钢筋、进行模板保温等现场施工措施。

2.1后浇段

在混凝土沉井增设后浇段17处，横桥向7处，纵桥向10处，共将沉井整个断面分割为6个独立的收缩分块。相邻两节混凝土沉井的后浇段总体按对称布置，以提高沉井整体的受力特性，后浇段结构平面图如图3所示。

图3　后浇段结构平面(单位:cm)

后浇段设置可以给混凝土充足的收缩空间和时间，使其收缩应力得到充分释放，待各分块收缩充分后再进行后浇段的浇筑。

2.2抗裂钢筋

抗裂钢筋的设计原则是将混凝土沉井水平筋设置为整根通长布置，以增大混凝土沉井在隔墙交汇处的整体抗拉强度从而达到抗裂的效果，如图4所示。

图4　抗裂钢筋设计示意

为满足抗裂钢筋设计要求，方便现场施工，需挪动原设计水平向钢筋的位置，并在空出的位置上增加抗裂水平向钢筋，相互之间采用搭接连接。采取对称反向挪动的方式挪动设计水平向钢筋，保证同一断面的钢筋接头率≤50%。

2.3冷却水管

在中间段隔墙及井壁交叉处的混凝土内部预埋冷却水管，在混凝土浇筑完成1～2 d后，开始循环供水冷却。

冷却水管的布置，可使现浇混凝土的水化热随时转移，减小沿混凝土截面的温度梯度，从而避免表面混凝土受拉开裂。

3　现场试验及数据分析

现场试验共分为两个阶段。第一阶段试验中考察所有预防开裂的工程措施，第二阶段针对试验中影响较为明显的措施进行对比分析。

3.1第一阶段试验

3.1.1试验方案

第一阶段试验将沉井分成三个监测区段，即中间段、上游段和下游段。后浇段平面位置及传感器布置如图5所示，即上游段在沉井隔墙相交的区段设置通长抗裂钢筋;中间段按现行通常方法施工混凝土沉井区段，并在隔墙与井壁、隔墙与隔墙交叉点内设置φ50 mm、底口联通的冷却钢管;下游段在沉井隔墙相交的区段设置通长抗裂钢筋的基础上，在模板内外侧贴厚3 cm的保温泡沫板对混凝土进行保温。亦即:

上游段，后浇段+抗裂钢筋。

中间段，后浇段+冷却管。

下游段，后浇段+抗裂钢筋+保温模板。

图5　第一阶段试验传感器布置

3.1.2数据分析

各试验区段混凝土应变平均值对比如图6。

图6　各试验区段混凝土应变平均值对比

由图6可以看出:

上游段(后浇带+抗裂钢筋)混凝土受力状态总体优于其他两区段。在混凝土浇筑完6～7 d后，上游段混凝土受力状态主要呈受压状态，而其他两区(中间段和下游段)整体上处于受拉状态。

中间段(后浇带+冷却管)混凝土受力状态最差。该区整体上处于受拉状态，其最大拉伸应变已接近混凝土开裂的拉伸应变极限值。

下游段(后浇带+抗裂钢筋+保温模板)混凝土受力状态居三者之中。该区整体上处于受拉状态，但其最大拉伸应变为中间段区域的40%～50%，平均拉应变也明显小于中间段。

图7为各试验区段混凝土内部温度平均值对比结果，其平均值差异不明显，总体在相近范围内。只是在浇筑混凝土4～8 d期间，下游段混凝土内部温度下降较其他两区段的慢，但之后温度基本维持在相同水平上。可以推论，温度效应对这三种区段的影响基本相同。

图7　各试验区段温度平均值对比

3.2第二阶段试验

3.2.1试验方案

从第一阶段试验可知，温降收缩并不是导致沉井现浇混凝土产生收缩应力的主要因素。因此第二阶段试验的分析重点为后浇段和抗裂钢筋的作用。现场试验依旧将沉井分成三个监测区段。第二阶段试验传感器布置如图8所示，每个试验监测点布置混凝土应变计和钢筋计各1个。各段采取的抗裂措施:上游段在沉井隔墙相交的区段设置通长抗裂钢筋;中间段按现行通常方法施工;下游段在沉井隔墙相交的区段设置通长抗裂钢筋。

图8　第二阶段试验传感器布置

亦即:

上游段，后浇段+抗裂钢筋。

中间段，后浇段。

下游段，后浇段+抗裂钢筋。

3.2.2数据分析

各试验区段混凝土应变及钢筋应力平均值对比如图9、图10。图中H2-2和G2-2分别为图8中2号监测点的混凝土和钢筋应变计。

图9　各试验区段混凝土应变平均值对比

图10各试验区段钢筋应力平均值对比

由图9、图10可知，上游段(后浇带+抗裂钢筋)混凝土应变的平均值小于中间段(后浇带)，上游段钢筋压应力的平均值小于中间段。混凝土收缩对测点处的钢筋产生轴向压应力，设置通长布置的抗裂钢筋后，钢筋上均匀分担了混凝土收缩产生的拉应力，因此上游段钢筋轴向压应力比中间段小，同时因为压应力分担均匀，避免了应力集中，使混凝土的拉应变也略有减小，上游段的混凝土拉应变也略小于中间段。

测点2(见图8)位于中间段且位于后浇段研究区间内。比较以上两图可知，上游段与测点2的混凝土应变接近，但上游段钢筋压应力值约为中间段的1/3。说明设置通长钢筋可以避免在沉井隔墙变截面处形成收缩而导致拉应力集中，可以有效改善该处应力状态，避免早期裂缝的产生。

4　结论

由上述现场试验及数据分析可得以下结论:

1)温度效应对三个试验区段的影响基本相同，说明沉井隔墙混凝土水化热消散较快，控制温度梯度的工程措施在此处的作用不是很明显;

2)设置通长抗裂钢筋可使混凝土收缩应力沿钢筋轴向均匀分布，避免在变截面处出现收缩而导致拉应力集中，可显著提高混凝土的抗裂性能;

3)设置后浇段可使后浇带两侧一定范围内的混凝土自由变形，释放由于混凝土收缩产生的拉应力，进而可避免收缩裂缝产生。

参考文献

［1］BAZANT Z P.Prediction of Concrete Creep and Shrinkage:Past，Present and Future［J］.Nuclear Engineering and Design，2001，203(1):27-38.

［2］蒋正武，孙振，王新友，等.国外混凝土自收缩研究进展评述［J］.混凝土，2001(4):30-33.

［3］覃维祖.混凝土的收缩、开裂及其评价与防治［J］.混凝土，2001(7):3-5.

［4］杨文武，钱觉时，范英儒.混凝土早期收缩性能试验研究［J］.深圳大学学报(理工版)，2009，26(1):81-85.

［5］韩素芳，耿维恕.钢筋混凝土结构裂缝控制指南［M］.北京:化学工业出版社，2006.

［6］梁润.混凝土的极限拉伸与变换弹性体的极限应变［J］.武汉水利电力学院学报，1986(3):20-26.

［7］彭全敏.超长混凝土结构收缩裂缝控制研究［D］.天津:天津大学，2012.

(责任审编孟庆伶)

Field Experimental Research on Prevention Measures of Early Cracking in Large Cross Section Concrete Open Caisson

HU Weiming1，MA Jianlin1，LI Juntang2，JIANG Bingnan1，YU Yunfeng2

(1.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China;2.China Railway Major Bridge Engineering Group Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430050，China)

Abstract:M ost early crack is caused by the shrinkage of concrete.T hough great progress has been made on the study of concrete shrinkage，shrinkage is a complex problem and its mechanism has not been fully understood.T his paper aimed at prevention measures of early crack of large cross section concrete open caisson of Shanghai－Nantong Yangtze River Bridge.T hrough theoretical analysis，it was identified that temperature decrease shrinkage，drying shrinkage and autogenous shrinkage were the main causes of concrete shrinkage，and field experiment was taken to analyze their influence on cast-in-situ concrete in this project.Engineering measures to control the temperature gradient have no significant effects on concrete shrinkage according to the test results.Anti-crack rebar arranged along the structure may improve stress concentration at profile-change sections.Post-casting blocks contribute to release the tensile stress caused by concrete shrinkage，avoiding shrinkage crack.Research results may be directly used to guide construction of large cross section concrete open caisson in Shanghai－Nantong Yangtze River Bridge，and provide experience for the similar projects.

Key words:Shanghai－Nantong Yangtze River Bridge;Large cross section concrete open caisson;Early crack of concrete;Anti-crack measures;Field experiment

通讯作者:马建林(1958—)，男，教授，博士。

基金项目:中国铁路总公司科技研究开发计划(2013G001-A-2)

收稿日期:2015-09-28;修回日期:2015-12-25

文章编号:1003-1995(2016)03-0001-04

中图分类号:U443.13+1

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.01

第一作者:胡伟明(1985—)，男，博士研究生。