異形梁清水混凝土開裂風險評估及抗裂措施研究

張繼忠，薛海龍，鄭河舟

（1.山西省安裝集團股份有限公司，山西 太原 030032；2.中鐵建工集團有限公司，北京 100160；3.中鐵十二局集團建筑安裝工程有限公司，山西 太原 030024）

0 引言

清水混凝土是一種少有的、同時兼具力學承載性能和極佳裝飾性能的建筑施工工藝，通過該工藝能夠實現自然穩重、樸實無華的裝飾效果，因此被廣泛地運用于高架橋梁、大型高鐵車站等市政交通工程中[1-4]，近年來在民用建筑和工業建筑上也有了一定的應用。高鐵站房作為客流量較大的公共交通樞紐，采用清水混凝土梁柱結構，除可保證結構安全外，還可營造厚重與清雅的美感，這是其他裝飾材料無法做到的。但為提升清水混凝土的整體外觀質量和裝飾效果，常常需通過增加混凝土中的膠凝材料用量來保證顏色質量和表面平整密實度[5]。而對大體積混凝土的溫度裂縫控制，一般主要是通過降低混凝土中膠凝材料的用量，進而控制結構放熱量和溫升，因此二者之間存在一定的矛盾。本文基于雄安站站房墩柱上部的清水混凝土梁結構特性和材料性能，對清水混凝土早期溫升及開裂風險進行評估計算，針對性提出裂縫控制措施，并將最終的監測結果與計算結果進行了對比，驗證裂縫控制技術的合理性。

1 工程概況

雄安站位于雄安新區雄縣城區東北部，距起步區20km，總建筑面積47.52 萬m2，地上3 層，地下2 層。站房以“建構一體”為設計原則，將自然、樸素作為理念與特色，通過優化首層候車大廳及兩側城市通廊的清水混凝土開花柱和弧線型清水混凝土異形梁的梁柱關系，強化整體的結構美，表達開放包容、兼容并蓄的建筑氣質。該工程清水混凝土結構建筑面積約3 萬m2，墩柱主要截面尺寸為2.7m×2.7m，異形梁高3.2m，梁寬1.2～1.9m，跨度30m，上部梁與墩柱采用弧形連接，梁柱總高14.215m，混凝土設計強度等級為C50。項目實施階段，清水混凝土墩柱和梁分兩次澆筑，即先澆筑至下部墩柱8.4m 高度位置，再澆筑上部弧形連接段和梁部分。由于兩次澆筑時間間隔較長，梁澆筑時墩柱溫度變形已經基本完成，因此梁的早期收縮變形受到底部墩柱的約束較大，且梁與柱弧形連接處厚度逐漸變大，其內部溫升也會增加，經分析研究可知異形梁混凝土存在較大的開裂風險，因此本文針對上部異形梁清水混凝土結構進行開裂風險評估與控裂措施研究。

2 開裂風險評估計算

2.1 計算模型及參數

采用MIDAS/FEA 軟件建立墩柱、梁的有限元計算模型。異形梁高3.2m，寬1.2～1.9m，單根梁懸臂長約15m，梁與柱交接處總高5.2m。異形梁混凝土配合比如表1 所示。根據相關試驗結果和工程經驗，C50 清水混凝土的熱力學參數取值列于表2。另外，在計算時采用水化度來描述混凝土彈性模量和抗拉強度隨齡期的發展。

表1 清水混凝土配合比 單位：kg/m3

表2 C50 清水混凝土熱力學參數

計算考慮了氣溫較低的冬季和氣溫較高的夏季兩種工況，混凝土入模溫度分別為15℃和35℃，平均氣溫分別為10℃和30℃。梁采用鋼模板支護，鋼模板散熱系數為70kJ/（m2·h·℃）。開裂風險評估考慮保溫措施的使用對開裂風險的影響，據此來給出抗裂措施建議。

2.2 開裂風險評估準則

評估過程中定義結構混凝土開裂風險如式（1）所示。

式中：σ（t）——t 時刻的混凝土最大拉應力；ft（t）——t時刻的混凝土抗拉強度。

一般認為η>1.0 時，混凝土一定會開裂；考慮材料性能波動，認為0.7<η≤1.0 時混凝土存在一定開裂風險；η≤0.7 時混凝土基本不會開裂。

2.3 無保溫措施下開裂風險評估結果分析

夏季和冬季澆筑工況下的梁溫度和開裂風險曲線如圖1 所示，圖中分析所選取的特征點分別為梁柱交接處混凝土中心點（靠近下部墩柱位置）、橫梁中心點和橫梁側表面點。

由圖1a 可見，冬季15℃入模、無保溫措施工況條件下，梁柱中心和梁中心在2.5d 齡期達到溫峰52.8℃，溫升37.8℃。梁中心與梁側面最大溫差為21.2℃。而在夏季35℃入模條件下，由于混凝土放熱速率明顯加快，梁柱中心和梁中心溫峰均達到79.0℃左右，溫升幅度達到44℃，相比于冬季工況上升了6.2℃，梁中心與梁側面的內外溫差也達到了25.1℃，超過了大體積施工規范規定的25℃標準。由此可見混凝土入模溫度越高，越不利于溫升和溫差的控制。由圖1c、圖1d 結果可知，梁柱中心和梁中心最大開裂風險均超過了0.7 的安全閾值，均有一定程度的開裂可能。特別是距離墩柱較近的梁柱中心位置，冬季工況下最大開裂風險為0.84，夏季工況則達到0.91，存在相當大的開裂可能性。這主要是由于梁柱中心處溫升高，溫降幅度大，其收縮變形受到底部先澆筑墩柱的約束更為顯著。對于梁身側表面而言，夏季工況下內外溫差較高，開裂風險最大達到1.1 左右，可認為梁側表面一定會發生開裂。冬季工況下梁側面與中心內外溫差較低，但側面開裂風險仍超過了0.7，無法達到裂縫控制目標。

圖1 不同季節澆筑工況下梁早期開裂風險評估結果

分析可知，如果梁澆筑時表面不采取保溫措施，梁中心與側表面均存在較高的開裂可能，特別是夏季高溫入模工況下開裂風險更高。因此需考慮采用一定的保溫措施加以控制。

2.4 保溫措施對梁開裂風險的影響

清水混凝土梁拆除模板后表面散熱較快，會造成結構內外溫差的上升以及降溫速率的加快，不利于早期裂縫控制。基于此，考慮在梁模板拆除后使用覆蓋保溫措施以控制表面散熱。根據現場施工具體情況，兼顧經濟性和可操作性，考慮采取塑料薄膜加土工布包裹覆蓋保溫的方法，根據《大體積混凝土施工標準》（GB 50496—2018）可知，土工布導熱系數較低，約0.05W/（m·K），則3mm 厚土工布和塑料薄膜保溫養護下的混凝土表面散熱系數約25kJ/（m2·h·℃）。由于鋼模板散熱系數較大且不易保溫，因此建議將拆模時間提前至1d 齡期，拆模后立即采用保溫措施養護。

采用保溫措施后，梁柱中心和梁中心位置溫峰值雖略有增加但幅度不大，而梁側表面溫峰則顯著上升，且梁內外降溫速率均有一定減緩。采用保溫措施后，冬季15℃入模工況下最大內外溫差由21.4℃降低至12.8℃，夏季35℃入模工況下最大內外溫差由25.1℃降低至16.1℃，內外溫差降低效果顯著。梁柱中心和橫梁中心的開裂風險均有了明顯下降。除夏季高溫入模工況的梁柱中心以外，其余位置的開裂風險均降低至0.7以下，滿足了裂縫控制目標。主要是保溫措施降低了溫降速率，減緩了收縮拉應力的發展趨勢，并增加了徐變作用的發揮。對于開裂風險較高的梁側表面，保溫措施均降低了開裂風險系數20%以上，冬季工況下開裂風險小于0.7，基本不會開裂。夏季工況由于溫升速度快，1d 齡期前鋼模散熱系數大，造成拆模前開裂風險超過了0.7，但拆模使用保溫措施后開裂風險就快速下降至0.7 以下。

因此，保溫措施的使用可有效降低夏季和冬季入模工況下清水混凝土梁的開裂風險，使得冬季澆筑工況實現基本不開裂的控制目標。夏季高溫入模工況下梁柱中心和側表面仍有一定的開裂可能性，可考慮通過降低入模溫度來進一步控制開裂風險。

3 異形梁工程監測結果分析

為判斷開裂風險評估結果的正確性和保溫抗裂措施的有效性，準確判斷梁體開裂情況，對雄安站2019年12 月21 日澆筑的某一異形清水梁進行了溫度和應變監測，在橫梁中心、橫梁側表面、梁柱中心位置埋設了溫度和應變監測探頭。實際澆筑時，異形梁混凝土澆筑的入模溫度約14.7℃，平均氣溫約8℃，與評估工況基本相同。施工過程中梁柱交接的位置使用鋼模板，橫梁位置處使用木模板，木模板導熱系數遠低于鋼模板，計算可得未拆模前混凝土散熱系數約20kJ/（m2·h·℃）。木模板保溫效果較好，相比于鋼模板更有利于橫梁內外溫差的控制，拆模后梁表面均采用塑料薄膜包裹，再覆蓋養護土工布進行保溫。

將溫度監測結果與冬季15℃入模工況的計算結果對比于可知，施工中異形梁中心位置處在2.5d 齡期達到溫度峰值52.8℃，評估結果中為3d 達到溫峰54.0℃，二者的溫度峰值與溫峰時間均吻合較好。而梁側表面處溫度峰值的監測結果高于計算結果約5℃，差別較為明顯。分析可知：一方面由于實際使用的木模板保溫效果更好，另一方面由于評估中選取的表面點為距表面測點5cm 處的節點，而實際表面溫度監測點的位置距離表面超過5cm，因此可能存在一定的差距。總體上二者溫度曲線的特征值和發展趨勢均有較高的一致性。

清水混凝土異形梁柱交接中心處最大應變值為361.8με，橫梁中心處最大應變為339.55με，結構單位膨脹溫升變形約11με/℃，溫降階段單位收縮變形約12με/℃。監測結果顯示結構溫升和溫降階段應變變化均勻，未出現明顯跳點，說明梁柱中心和橫梁中心位置未發生開裂，且梁混凝土表面上也未找到裂紋。這一結果符合評估預期，證明了保溫抗裂措施的合理性。

4 結語

（1）由異形梁開裂風險評估結果可知，如不采取保溫措施，異形梁在夏季35℃入模和冬季15℃入模工況下，中心溫升較高，內外溫差大，降溫速率快，結構中心和表面開裂風險均不能滿足控裂標準。特別是夏季高溫入模工況下，梁柱交接處中心和梁表面開裂可能性較高。

（2）根據開裂風險評估結果，在梁表面拆模后采用塑料薄膜和土工布覆蓋等保溫措施可有效降低結構內外溫差和整體降溫速率，使得夏季高溫入模工況的開裂風險顯著降低，且可保證冬季入模工況開裂風險低于0.7 的閾值，達到裂縫控制目標。

（3）對比了采用保溫抗裂措施的冬季入模工況下異形梁的實際監測溫度曲線與數值模擬結果，二者吻合較好。異形梁中心應變監測曲線未出現跳點，表面未出現裂紋，與預估結果相同。證明了開裂風險評估結果的準確性和保溫抗裂措施的合理性。