高寒地区桥墩承台水化热开裂及受力分析

张世辉

摘要：文章以高寒地區某铁路桥为工程背景，详细分析了承台水化热产生裂缝的原因，进一步采用有限元软件ABAQUS进行对已开裂承台进行了局部应力分析，并提出了裂缝修补方案。结果表明：高寒地区冬季大体积混凝土在上边缘处容易开裂，应提前在钢模板表面铺设棉被以保温，按照设计冷却水程序通水降温，必要搭设保温棚；在运营荷载下，由于桥墩处于受压状态，已开裂部位的所受的拉应力很小，不会引起裂缝扩展；封闭裂缝表面0.2～0.5 m深度后，在最不利荷载作用下，封闭裂缝处与未封闭裂缝面上的拉应力均很小，不会引起开裂。

关键词： 高寒地区  承台  大体积混凝土  水化热裂缝

中图分类号：TQ172.4    文献标识码：A

Analysis of the Hydration Heat Cracking and Stress of the Pier Cushion Cap in the High-Cold Reign

ZHANG Shihui

（China Railway NO.2 Engineering Group CO.， Ltd.， Chengdu， Sichuan Province， 610031 China）

Abstract： Taking a railway bridge in the alpine region as the engineering background， this paper analyzes the causes of cracks by hydration heat in the cushion cap caused in detail， further analyzes the local stress of the cracked cushion cap by using the finite element software ABAQUS， and proposes the repair scheme for cracks. The results show that the mass concrete in high-cold areas is easy to crack at the upper edge in winter， so it is necessary to lay quilts on the surface of steel formwork in advance to keep warm， cool down with water according to the designed cooling water program， and set up insulation sheds， that under the operation load， because the pier is under pressure， the tensile stress of the cracked part is very small and will not cause the crack to expand， and that after sealing the crack surface at a depth of 0.2 - 0.5 m， under the most unfavorable load， the tensile stress at the closed crack and on the unsealed crack surface is very small and will not cause cracking.

Key Words：High-cold Reign; Cushion cap; Massive concrete; Hydration heat crack

桥梁承台作为桥梁的受力构件，承受了上部结构和墩柱的传力，并将作用力和自重传递至桩基[1]。若桥梁承台产生裂缝，将严重影响桥梁的安全性。桥梁承台结构需要采用高强度等级和大体积混凝土浇筑，导致混凝土水化凝结过程中产生大量水化热，内部混凝土温度升高，当与外部温度温差过大时会产生温度应力[2-4]。当混凝土的抗拉强度不足以抵抗温度应力时，混凝土便会产生裂缝。尤其是高原高寒地区，冬季昼夜温差大，紫外线照射强烈，加剧了混凝土干燥收缩、塑性收缩，容易引起桥墩承台水化热裂缝[5]。研究表明，在高原高寒地区，冬季日温度变化-15～20℃，同养护条件下早期混凝土抗劈裂强度仅相当于28 d标准抗劈裂强度的34.07%[6]。高寒条件下不利于早期混凝土强度发展[7]，因此在高寒条件下混凝土早期抗强度增长缓慢也会加剧大体积混凝土开裂风险。承台裂缝后，也需要对桥梁承台采取不同的裂缝整治方案[8-9]。基于此，文章分析了高寒地区桥墩承台大体积混凝土水化热开裂原因，并根据实际裂缝情况，分析了承台开裂后不同工况下的受力情况。

1 工程概况

1.1 桥梁简介

高原高寒地区某铁路桥梁全长774 m，全桥孔跨布置为“18 m×32 m简支梁+6 m×33 m连续梁”，承台采用矩形截面形式，采用C35钢筋混凝土。其中2～8号承台长宽高分别为10.5 m×38.9 m×3.0 m，混凝土方量为1 225.35 m?，为典型的大体积混凝土结构。承台浇筑时间为11月初至12月初，期间气温为-2～15 ℃。

1.2 承台开裂情况

1月初检查发现，已浇筑的2～7号承台均出现不同程度开裂现象。2～5号承台裂缝宽度0.1～0.25 mm，6#承台裂缝宽度0.1～0.35 mm，7#承台裂缝最严重。7#承台共发现5条裂缝，其中1号裂缝位于承台顶面中心位置，为顶面通长裂缝，长度10.5 m，最大深度2.3 m，最大宽度0.48 mm。7#承台其他裂缝均为表面裂缝，最大长度4.13 m，最大深度0.15 m，最大宽度0.22 mm，如图1所示。

2 承台水化热分析

为了分析承台开裂原因，采用MIDAS有限元软件建立1/4模型。环境温度设为0～15 ℃按正弦函数变化以模拟日温差变化。承台下设20 cm厚C20混凝土垫层，垫层及地基础按平均温度7.5℃设置。承台浇筑完48 h后，拆除钢模板并替换为棉被覆盖养护。冷却水管按三层布置，竖向间距为0.5+1.0+1.0+0.5=3.0 m。根据现场反馈，每个承台浇筑完成后即进行养护，表面铺设棉被及薄膜保温直到第二年1月初，浇筑完成后开始采用冷却水管通水降温约10 d。图2为按上述边界条件模拟冷却水循环10 d的内部和表面温度及应力发展情况。内部最高温度为55.1 ℃，同时刻内、表温差小于25 ℃，满足规范要求。上表面应力均小于抗拉强度，但是侧外表面及上边缘处的拉应力大于同时刻混凝土的抗拉强度，有开裂缝风险。

表1列出了温度监测峰值情况。2、3、6#墩承台最高温度比计算峰值高约7 ℃，同时刻实测表面温度与内部峰值温度差约30 ℃；4、5#墩承台最高温度比计算峰值高10 ℃；7#墩承台实测温度最高，达到68.4 ℃；而6#、7#承台内、表温差分别达到38.7 ℃、46.6 ℃。实测温度峰值高于理论计算值，主要是由于冷却水降温不足，据调查，实际操作过程中，并没有严格按照既定的循环水降温方案执行。由实测可知，承台内、表温差均超过规范允许值，是导致承台开裂的重要原因，上述温差大小也与各承台的开裂严重程度相符。6#、7#承台外表面实测温度均在20 ℃左右（图2），低于其他承台，表明6#、7#承台保温措施不到位，散热较快，这也是导致其开裂严重的原因之一。

7#墩承台由于停电只通水降温1 d，按此模拟计算得到内、表温度变化见图3所示。由此可见，停止冷却水后，内部最高温度达到68.4℃（混凝土浇后68h），比正常通水条件下的最高温度高5.8 ℃，但是内、表温差达到32.3 ℃，大于规范规定的25 ℃。7#墩承台实测温度见图3，实测最高温度为69.1 ℃（混凝土浇后72 h），与理论分析值接近。分析表明，在内部温度达到峰值时刻承台表面上边缘处最大拉应力达到4.7 MPa，远大于该时刻混凝土的抗拉强度2.2 MPa，因此理论分析表明这种情况下会引起混凝土开裂。实际上从现场施工反馈的情况表明，冷却水并没有按照既定的方案进行通水和养护，实测内、表温差大于25℃也没有及时采取措施，所以导致这段时间浇筑的承台均出现不同程度的开裂。

如上所述，按上述既定施工方案計算分析，侧外表面和上边缘处拉应力超过其抗拉强度，有列裂风险。发生上述问题主要在于环境温度较低，再加之待混凝土达到终疑后才将侧面的钢模板更换为棉被覆盖，导致前期外侧表面通过钢模板散热快，温度梯度变化大，从而产生较大的拉应力。因此冬季低温环境下，应考虑在混凝土浇筑后即在侧面钢模板上也覆盖棉被保温，5 ℃以下应考虑搭设保温棚并辅以加热措施，以提供更好的保温环境。模拟分析表明：浇筑完混凝土后即采用棉被覆盖在钢模板上，可以为侧面提供更好的保温措施，侧表面的拉应力可降低至2.0 MPa以下，从而可避免侧表面开裂；但是上边缘由于单元双面散热，温度梯度大，局部拉应力还是比较大，进一步在上边缘处再覆盖一层5 cm厚棉被，边缘最大拉应力可控制在2.4 MPa以下，小于同时刻混凝土的抗拉强度2.7 MPa，基本确保边缘混凝土不开裂。

3 开裂承台有限元分析计算

3.1 有限元模型建立

为了分析承台开裂后对其受力的影响，采用有限元软件ABAQUS建立承台分析模型，为了加载方便模型含下部2.5 m高实体墩身，如图4所示。承台底桩基仅模拟0.5 m，直接约束桩底。不考虑承台下垫层的支承作用，这样简化分析结果趋于保守。同时为了提高计算效率，计算模型中未考虑钢筋的作用，如果考虑钢筋计算结果会更小。

承台裂缝采用ABAQUS中的XFEM法模拟裂纹在荷载作用下的扩展情况，主要模拟2条典型裂缝。7#墩在有限元模型中的裂缝数值，如表2所示。

3.2 计算荷载参数

承台有限元分析模型，只考虑承台以上2.5 m高墩身（实体段），墩身2.5 m以上的重量，按均布荷载施加在墩身截面上。计算荷载参数如表3所示。图4中右侧墩为单线，其余3个桥墩为双线。

4 承台局部承载力分析

4.1 无裂缝受力分析

无裂缝情况下，承台在运营状态下的横桥向应力分布如图5所示。承台应力最大拉应力为0.717 MPa，位于桩周边沿与承台连接处；最大压应力发生桩顶中心，为1.45 MPa。两个桥墩之间的承台上表面均出现拉应力，分别为0.395 MPa、0.335 MPa、0.403 MPa，这是由于两个桥墩受到向下的压力作用导致。由计算可知，在无裂缝情况下，混凝土拉应力小于C35极限抗拉强度3.50 MPa。

4.2 实际开裂情况下受力分析

裂缝①情况下，承台的横向拉应力分布见图6所示。承台最大拉应力0.585 MPa，位于承台底面。开裂面上相当于是两个分离体，此处横向拉应力接近0，而两侧8线和6线、I线和3线之间的承台表面由于缺少了裂缝面的约束，其拉应力反而比无裂缝时小，由0.717 MPa减小为0.585 MPa。图7显示，裂缝面上拉、压应力都很小，为-0.079～0.033 MPa。图8也表明：无裂缝情况下截面中间上表面处出现拉应力0.33 MPa，而开裂后由于成为近似自由面，反而仅有很小的拉应力0.09 MPa；而裂缝面下的实体单元，最大压应力几乎相等（-1.13 MPa和-1.14 MPa），说明裂缝的存在对压力的传递影响很小。因此，在运营状态下，由于承台受压，裂缝面上的拉应力很小，裂缝不会继续扩展。

裂缝②情况下，承台的横向拉应力分布见图9所示。承台上表面最大拉应力为0.713 MPa。由于桥墩在裂缝面处，导致该区域承受压力，裂缝面上无拉应力（图10），因此不会引起开裂。再对比有、无裂缝的情况，该处基本上受压，仅有很小的拉应力，而且拉应力出现的范围也基本相同。因此，同①裂缝一样，在裂缝处不会继续开裂。

4.3 危险裂缝修补后受力分析

考虑裂缝①通过压力注浆，假定开槽或注浆封闭外表面0.5 m深度的裂缝，中间裂缝仍然存在，在这种情况下，分析内部裂缝的发展情况。计算结果见图11～13所示。由计算可知，裂缝修补后，与无裂纹状态下的最大拉、压应力完全一致（图11与图5）。图12中上图为裂缝所在的横截面，图中方框中即是未封闭的裂缝面，下图是未封闭裂缝面上的应力，由图中可见未封闭的裂缝面周边的最大拉应力为0.04 MPa。

同样对裂缝②封闭0.20 m深度，计算结果见图13所示，内部裂缝剖面上的应力均是压应力，因此也不存在继续开裂的风险。由此可见，裂缝注浆封闭后，在运营状态下裂缝均不会继续扩展。

5 承台裂缝修补方案

根据现场病害情况，结合现场环境特点及材料性能特点，拟根据混凝土结构部位和裂缝宽度的不同，采取不同的病害整治方案，如表4所示。

5.1 表面封闭法

表面封闭法所用涂层材料为满足规范要求的聚合物水泥基材料，底涂材料采用高聚合物乳液含量的聚合物水泥基材料。施工适宜温度10～30 ℃，雨雪天气不得施工。工艺流程及修补方法如下。

（1）裂缝表面清理：使用钢丝刷将裂缝表面两侧刷毛，用吹风机清除灰尘等杂物。当裂缝内有明水时，应使用热风机将裂缝吹干。

（2）配制封闭材料：严格按照表面封闭材料的配合比配制材料，单次配料量根据修补量和材料状态变化时间进行合理确定。

（3）涂刷封闭材料：先沿裂缝表面涂刷一层底涂材料，待底涂材料表干后，涂刷表面封闭用涂层材料，涂刷3遍以上，涂刮厚度宜不小于300 μm。每遍涂刷要等到上遍涂层材料表干后再涂，且两次涂刷方向相互垂直。

（4）场地清理：施工完毕后按要求将施工区域及周围环境清理整潔，做到工完、料净、场地清。

5.2 低压注浆法

低压注浆法所用材料为满足规范要求的TK-NCLF-EJ型低粘高强注浆胶。施工适宜温度10～30 ℃，雨雪天气不得施工。工艺流程及修补方法如下。

（1）裂缝表面清理：为保证修补效果，采用钢丝刷和真空除尘器清理裂缝表面的灰尘、浮渣，采用真空吸尘器和吹风机尽量清除裂缝内的灰尘杂物和积水，并将裂缝两侧50 mm擦拭干净后保持干燥，修整不平整部位。

（2）安装注胶针头：根据裂缝分布图和裂缝宽度确认注浆嘴粘贴位置。

（3）封边：采用专用封边胶涂抹裂缝表面进行封边。

（4）配制注浆胶：按照相关产品说明，并经试验检测满足性能指标后，进行注浆胶修补材料的配制。配制过程应搅拌均匀，现配现用。

（5）低压注胶：将双组份注浆机的注浆枪头与已安装的注胶针头相连，以0.2 MPa左右的注浆压力，开始注入修补材料。当注射至无法再注入修补材料时，拔下注胶枪头，然后连接到附近无浆液渗出的注胶针头上，继续注胶，依此，直至完成整条裂缝的注胶工作。

（6）打磨处理：修补材料完全固化后，凿除注浆嘴和封边材料，并用角磨机将裂缝表面打磨平整，力求平整、光洁、美观。

5.3 修补后质量检验

对采用低压注浆法修补处理的区域应进行注浆质量检验。检验时应进行随机抽样钻芯取样，按裂缝条数计，抽取进行钻取芯样的裂缝比例不低于30%，所抽取的裂缝钻取芯样数量不少于2个。钻孔直径宜18 mm，不大于30 mm，芯样长度宜为50 mm，当保护层厚度小于50 mm时，芯样长度取保护层厚度。

结果判定：芯样浆液饱满，无明显缝隙、并已将裂缝两侧混凝土粘结成一整体，则注浆饱满度视为合格；若芯样裂缝部位存在明显孔隙，且能将芯样劈开，劈开后粘结面积小于裂缝面积的90%，则注浆饱满度视为不合格。芯样不合格则加倍取样，仍不合格则判为注浆不合格。

6 结论

以高寒地区某新建铁路桥墩为工程背景，分析了承台大体积混凝土裂缝的产生的原因以及裂后的受力情况，并提出了整治措施。

（1）高寒地区冬季大体积混凝土应做好养护保温措施，尤其应注意上边缘的保温，必要时应搭设保温棚。

（2）大体积混凝土浇筑后，应严格按照施工规范采取养护保温保湿措施，应实时监测内表温差情况，发现超出规范限值后应及时调整养护策略，避免混凝土开裂。

（3）桥墩承台主要承受压力，承台裂缝处受力较小，在运营荷载作用下不会继续开裂。

（4）模拟分析了封闭裂缝表面之后，内部裂缝面处的应力也很低，不会引起裂缝发展。

（5）针对不同的裂缝提出了，根据现场病害情况，结合现场环境特点及材料性能特点，采取表面封闭法和低压注浆法整治方案，修补后各裂缝质量检验均满足要求。

参考文献

• 史佩韶，李末.高墩连续梁桥开裂承台受力特性分析[J].交通世界，2019（Z2）：182-183，263.
• 陈宇.桥梁大体积混凝土水化热温度控制研究[D].成都：西南交通大学，2016.
• 郑华凯，刘釗，唐俊.悬索桥承台大体积混凝土温控及抗裂技术应用[J].施工技术（中英文），2022，51（2）：58-61.
• 陈龙.大体积承台混凝土施工温度场及温控技术研究[J].中外公路，2021，41（3）：83-88.
• 金书成，徐文远，黄云涌.冬季承台大体积混凝土分层浇筑温控措施研究[J].铁道建筑，2019，59（11）：55-58.
• 李瑞.干寒大温差下混凝土收缩特性及防裂技术研究[D].成都：西南交通大学，2021.
• 李福海，文涛，唐慧琪，等.干寒大温差下早龄期混凝土收缩特性及防裂技术[J/OL].西南交通大学学报：1-8[2022-12-01].https：//kns.cnki.net/kcms/detail//51.1277.U.20221130.1928.010.html
• 孙鹏.带裂缝运行的高桩承台加固施工技术分析[J].低碳世界，2018（6）：119-120.
• 孙志刚.桥梁承台超深裂缝注浆及加固方法[J].交通世界（运输.车辆），2018（9）：64-65.