某巖基地區(qū)拱橋超長擴基開裂分析及對策研究
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賈文杰
(上海蘭德公路工程咨詢設(shè)計有限公司，上海200065)
摘要：某巖基地區(qū)拱橋超長擴大基礎(chǔ)混凝土澆筑完成后，較短時間內(nèi)出現(xiàn)多條貫通裂縫。經(jīng)有限元分析和實踐討論，得出開裂原因，提出處理對策，對后續(xù)基礎(chǔ)及拱座施工提出改進意見，成效良好。
關(guān)鍵詞：超長擴基；開裂分析；對策研究
中圖分類號：U448.220.315文章編號：1004-4655( 2016) 02-0081-03
某橋位于城市快速通道上，主橋為三跨上承式空腹拱橋，跨徑布置為(52+75+50)m。橋面寬度為36 m，主橋與河道斜交角為13 0。橋梁處于緩和曲線和圓曲線上，緩和曲線長120 m，圓曲線半徑283.051 m。采用曲橋正做，兩幅橋拱肋分離，拱座及基礎(chǔ)為整體結(jié)構(gòu)。
裝飾柱落在整體基礎(chǔ)上，橋梁擴基具有大體積混凝土等特點，如圖1所示。
1擴基裂縫情況
該橋前期施T中跨拱的2個拱腳擴大基礎(chǔ)( P7和P8)出現(xiàn)如圖2所示裂縫。
1.1 P7基礎(chǔ)裂縫描述
該基礎(chǔ)混凝土澆筑時間為2014年6月5日23點45分至2014年6月7日03點30分。
6月12日下午產(chǎn)生2條裂縫，分別為③號和⑤號裂縫，裂縫順橋向長1.0 m，裂入擴大基礎(chǔ)深度0.5 m，位于擴大基礎(chǔ)邊側(cè)。6月13日③號和⑤號裂縫已經(jīng)貫穿擴大基礎(chǔ)。隨后逐漸發(fā)展成5條，裂縫逐漸變寬。其中①號裂縫順橋向長1.25 m，裂入擴大基礎(chǔ)深度0.2 m，裂縫寬度0.5 mm；②號裂縫順橋向長2.0 m，裂人擴大基礎(chǔ)深度1.0 m，裂縫寬度0.5 mm；③號裂縫貫通整個擴大基礎(chǔ)，裂縫寬度0.5~2.0mm；④號裂縫貫通整個擴大基礎(chǔ)，裂縫寬度0.5~1.0 mm；⑤號裂縫貫通整個擴大基礎(chǔ)，裂縫寬度0.5~2.0 mm（見圖3）。
1.2 P8基礎(chǔ)裂縫描述
該基礎(chǔ)混凝土澆筑時間為2014年6月16日1 1點30分至2014年6月17日19點40分。
6月22日產(chǎn)生1條裂縫，為①號裂縫，順橋向長2.0 m，裂入擴大基礎(chǔ)深度0.8 m，位于擴大基礎(chǔ)邊側(cè)。6月23日①號和⑤號裂縫貫穿擴大基礎(chǔ)，隨后幾天出現(xiàn)4條裂縫，裂縫寬度最寬達1.5 mm。其中①號裂縫貫通整個擴大基礎(chǔ)，裂縫寬度0.5~1.5 mm；②號裂縫貫通整個擴大基礎(chǔ)，裂縫寬度0.5~1.0 mm；⑧裂縫順橋向長5.0 m，裂人擴大基礎(chǔ)深度0.2 m，裂縫寬度0.5 mm；④號裂縫貫通整個擴大基礎(chǔ)，裂縫寬度0.5~1.0 mm；⑤號裂縫貫通整個擴大基礎(chǔ)，裂縫寬度0.5~1.0 mm（見圖4）。
2開裂原因分析
2.1對超長擴基的理解
建筑規(guī)范中規(guī)定，當構(gòu)件超過一定長度時，需要設(shè)置伸縮縫。超長結(jié)構(gòu)區(qū)別于其他結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵之處在于對溫度、收縮等荷載效應的考慮。連續(xù)澆筑的超長混凝土構(gòu)件自身的收縮和水化作用引起混凝土構(gòu)件體積的不均勻變化，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較大的應力而開裂。外界環(huán)境溫度變化導致結(jié)構(gòu)構(gòu)件熱脹冷縮，引起整體結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間不均勻變形，對于超靜定的混凝土結(jié)構(gòu)可能引發(fā)較大的約束應力，超長擴基亦是如此。
2.2溫度場建立
混凝土澆筑后，在水化熱作用下，具有內(nèi)部熱源強度、瞬態(tài)溫度場的連續(xù)均勻介質(zhì)。其瞬態(tài)溫度場的計算，實質(zhì)上是3D非穩(wěn)態(tài)導熱方程在特定邊界條件和初始條件下的求解。為簡化問題，假設(shè)混凝土連續(xù)、均勻、各向同性，其澆筑后，內(nèi)部熱源的瞬態(tài)溫度場導熱方程見式(1)。
式中：T為混凝土的瞬間溫度；t為混凝土的齡期；a為導熱系數(shù)；θ為混凝土的絕熱升溫。根據(jù)已知的初始條件和邊界條件，求解熱傳導方程，就可得到混凝土的溫度場。
熱傳導微分方程建立溫度與時間、空間的關(guān)系。為了求出溫度場的定解函數(shù)T，設(shè)立初始條件和邊界條件。初始條件和邊界條件統(tǒng)稱為邊界條件。初始條件為初始瞬時混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度的分布規(guī)律。多數(shù)情況下，初始瞬時結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度場可以認為是定值。邊界條件為混凝土表面與周圍介質(zhì)之間的熱傳導規(guī)律。溫度場計算的邊界條件可分為如下4類。
1)混凝土表面溫度T是時間的已知函數(shù)，在實際工程中是混凝土表面與流水直接接觸情況。
2)混凝土表面的熱流量Q是時間的已知函數(shù)。
3)混凝土表面存在對流，通常為混凝土與空氣接觸，按對流邊界條件表示，即混凝土表面熱流量與其表面溫度T和與空氣溫度Ta之差成正比。
4)2種不同材料的固體相互接觸，在熱傳導過程中，如果接觸良好，則接觸面上的溫度和熱流量是連續(xù)的。
拱座基礎(chǔ)底部坐落在巖基上，側(cè)面支模�；撞捎玫谒念愡吔鐥l件，其余面采用第三類邊界條件。
2.3有限元分析
混凝土澆筑過程中，由于水化反應產(chǎn)生熱量，大體積混凝土的澆筑需要考慮澆筑水化熱產(chǎn)生的溫度應力。這個問題需要用熱一結(jié)構(gòu)耦合分析解決，耦合分析包括直接法和間接法。當進行直接耦合是多個物理場的自由度進行計算，間接耦合分析是按照特定的順序求解單個物理場，前一個物理場的分析結(jié)果作為后續(xù)分析的邊界條件施加。采用間接耦合法，先建立熱模型，由溫度場求解得到的節(jié)點溫度，施加于結(jié)構(gòu)模型中作為體荷載。采用ANSYS軟件的熱分析(Thermal)模塊和結(jié)構(gòu)分析(Structural)模塊，分析過程如下。
1)創(chuàng)建有限元熱分析模型進行瞬態(tài)熱分析求解，得出節(jié)點溫度。
2)刪掉全部熱荷載，刪掉藕合序列及約束方程，將熱分析模型轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)分析模型。
3)將熱單元轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)單元。
4)施加熱分析中的溫度體荷載，選擇溫度體荷載的所有節(jié)點并寫入節(jié)點文件。
5)施加條件并求解：即賦予初始條件和邊界條件、定義分析類別、確定分析選項、施加結(jié)構(gòu)荷載及其他荷載后，進行求解。
6)后處理，查看基礎(chǔ)溫度場和溫度應力等。
由于熱分析模型和結(jié)構(gòu)分析模型是建立在不同的物理環(huán)境中，需要選擇與之能相互轉(zhuǎn)換的單元類型。本文選用Solid70單元用于模擬混凝土的熱分析，Solid45單元用于大體積混凝土的溫度應力分析，Solid70單元是一種具有導熱能力的單元，它可以被Solid45單元等效代替，兩單元功能特點見表1。熱分析采用的參數(shù)見表2。所建立熱分析模型如圖5所示。
圖6顯示澆筑完成后，基礎(chǔ)的溫度場云圖。溫度梯度由內(nèi)而外逐步減小。圖7為熱分析模型的節(jié)點溫度作為體荷載施加于結(jié)構(gòu)分析模型中，得到基礎(chǔ)溫度應力云圖。從圖中可以看出，在基礎(chǔ)長度47 m范圍內(nèi)，約1/3長度處，會出現(xiàn)一處應力較大的橫向條帶，且最大應力亦出現(xiàn)在該區(qū)域內(nèi)，與現(xiàn)場實際情況較為吻合。
綜合分析，大體積混凝土在硬化過程中，由于水化熱溫度先升后降，體積也隨之發(fā)生變化。但由于在混凝土體積變化過程中受到地基、樁、基體沉積物和自重等外部約束作用，或受到短時的天氣急劇變化如驟然降溫、太陽輻射使混凝土斷面內(nèi)外溫差形成內(nèi)部約束，變?yōu)闇囟葢Α＜s束系數(shù)和溫度下降幅度決定由外部約束引起的混凝土溫度應力大小，過大的溫度應力會引起混凝土開裂。
3裂縫處理對策
3.1對已發(fā)生裂縫的處理
針對寬度0.2~0.3 mm的裂縫，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，進行縫內(nèi)壓力注漿、縫口封閉處理。詳細制訂裂縫修補施工工藝，包括完善鑿槽、埋管、壓漿等工序的相關(guān)裂縫修補設(shè)計圖，使方案更具操作性。裂縫修補的材料及檢驗嚴格按照JTG/T J22-2008《公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范》、GB 50367-2013《混凝土結(jié)構(gòu)加同設(shè)計規(guī)范》和GB 50550-2010《建筑結(jié)構(gòu)加固工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范執(zhí)行。此外，裂縫修補需經(jīng)過監(jiān)理驗收合格后，方可進行下一道工序的施工。
針對寬度> 0.3 mm的裂縫，開裂處鑿開，檢查確認后澆筑施工。
經(jīng)過上述處理后，在整個擴大基礎(chǔ)上增設(shè)1m厚實心段。澆筑加厚實心段前，按照施工規(guī)范的要求對原擴大基礎(chǔ)頂面進行鑿毛。在加厚實心段與原有擴大基礎(chǔ)之間植筋，植筋執(zhí)行現(xiàn)行規(guī)范。加厚實心段施工時應采取必要的措施避免由于水化熱、收縮等引起開裂，并注意混凝土養(yǎng)護等工作。
3.2設(shè)計與施工改進對策
原設(shè)計采用直徑12 mm HRB400表層防裂鋼筋，同時要求擴大基礎(chǔ)澆筑過程中設(shè)置冷卻管。而實際施工中，未設(shè)置冷卻裝置�？紤]到該項目施工周期短，．工期緊，以及施工現(xiàn)場已澆筑混凝土基礎(chǔ)出現(xiàn)裂縫的情況，要求后續(xù)施工擴大基礎(chǔ)、拱座的超長擴基長度方向表層防裂鋼筋直徑由原來12 mm改為20 mm，以增強超長擴基的抗裂性，減小豎向收縮裂縫的發(fā)生。
在施工措施方面，后續(xù)擴大基礎(chǔ)及拱座應采用分段澆筑，后澆帶應避開已有裂縫位置，擴大基礎(chǔ)和拱座的后澆帶須錯位，同時后澆帶的位置須避開立柱位置。拱座在兩幅橋之間分段，后澆帶長度應滿足鋼筋搭接長度的要求。施工時考慮采取必要措施避免混凝土開裂問題，如控制水灰比、控制內(nèi)外溫差、埋設(shè)冷卻水管及做好混凝土養(yǎng)護工作等。
通過采取上述措施后，后續(xù)擴基及拱座的施工進展非常順利，未出現(xiàn)類似裂縫。
4結(jié)語
溫度場的中心區(qū)域溫度隨著混凝土齡期的延長，其溫度逐漸降低，中心溫度位置向下偏移，熱量向地基傳遞。由于受到巖基頂面的約束，會對超長擴基底部產(chǎn)生約束應力，導致混凝土開裂。這類裂縫具有裂縫寬、上下貫通等特點，對結(jié)構(gòu)的承載力、耐久性都會產(chǎn)生很大的影響。
在設(shè)計及施工過程中，為避免出現(xiàn)這種裂縫，可采取分層、分段澆筑，也可以采取冷卻管措施，降低水化熱影響。此外，通過加強超長擴基長度方向的普通鋼筋，亦可有效避免混凝土在結(jié)硬過程中出現(xiàn)過大的收縮裂縫。
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