高寒地區橋墩承臺水化熱開裂及受力分析

張世輝

摘要：文章以高寒地區某鐵路橋為工程背景，詳細分析了承臺水化熱產生裂縫的原因，進一步采用有限元軟件ABAQUS進行對已開裂承臺進行了局部應力分析，并提出了裂縫修補方案。結果表明：高寒地區冬季大體積混凝土在上邊緣處容易開裂，應提前在鋼模板表面鋪設棉被以保溫，按照設計冷卻水程序通水降溫，必要搭設保溫棚；在運營荷載下，由于橋墩處于受壓狀態，已開裂部位的所受的拉應力很小，不會引起裂縫擴展；封閉裂縫表面0.2～0.5?m深度后，在最不利荷載作用下，封閉裂縫處與未封閉裂縫面上的拉應力均很小，不會引起開裂。

關鍵詞：?高寒地區??承臺??大體積混凝土??水化熱裂縫

中圖分類號：TQ172.4????文獻標識碼：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

橋梁承臺作為橋梁的受力構件，承受了上部結構和墩柱的傳力，并將作用力和自重傳遞至樁基[1]。若橋梁承臺產生裂縫，將嚴重影響橋梁的安全性。橋梁承臺結構需要采用高強度等級和大體積混凝土澆筑，導致混凝土水化凝結過程中產生大量水化熱，內部混凝土溫度升高，當與外部溫度溫差過大時會產生溫度應力[2-4]。當混凝土的抗拉強度不足以抵抗溫度應力時，混凝土便會產生裂縫。尤其是高原高寒地區，冬季晝夜溫差大，紫外線照射強烈，加劇了混凝土干燥收縮、塑性收縮，容易引起橋墩承臺水化熱裂縫[5]。研究表明，在高原高寒地區，冬季日溫度變化-15～20℃，同養護條件下早期混凝土抗劈裂強度僅相當于28?d標準抗劈裂強度的34.07%[6]。高寒條件下不利于早期混凝土強度發展[7]，因此在高寒條件下混凝土早期抗強度增長緩慢也會加劇大體積混凝土開裂風險。承臺裂縫后，也需要對橋梁承臺采取不同的裂縫整治方案[8-9]。基于此，文章分析了高寒地區橋墩承臺大體積混凝土水化熱開裂原因，并根據實際裂縫情況，分析了承臺開裂后不同工況下的受力情況。

1?工程概況

1.1?橋梁簡介

高原高寒地區某鐵路橋梁全長774?m，全橋孔跨布置為“18?m×32?m簡支梁+6?m×33?m連續梁”，承臺采用矩形截面形式，采用C35鋼筋混凝土。其中2～8號承臺長寬高分別為10.5?m×38.9?m×3.0?m，混凝土方量為1?225.35?m?，為典型的大體積混凝土結構。承臺澆筑時間為11月初至12月初，期間氣溫為-2～15?℃。

1.2?承臺開裂情況

1月初檢查發現，已澆筑的2～7號承臺均出現不同程度開裂現象。2～5號承臺裂縫寬度0.1～0.25?mm，6#承臺裂縫寬度0.1～0.35?mm，7#承臺裂縫最嚴重。7#承臺共發現5條裂縫，其中1號裂縫位于承臺頂面中心位置，為頂面通長裂縫，長度10.5?m，最大深度2.3?m，最大寬度0.48?mm。7#承臺其他裂縫均為表面裂縫，最大長度4.13?m，最大深度0.15?m，最大寬度0.22?mm，如圖1所示。

2?承臺水化熱分析

為了分析承臺開裂原因，采用MIDAS有限元軟件建立1/4模型。環境溫度設為0～15?℃按正弦函數變化以模擬日溫差變化。承臺下設20?cm厚C20混凝土墊層，墊層及地基礎按平均溫度7.5℃設置。承臺澆筑完48?h后，拆除鋼模板并替換為棉被覆蓋養護。冷卻水管按三層布置，豎向間距為0.5+1.0+1.0+0.5=3.0?m。根據現場反饋，每個承臺澆筑完成后即進行養護，表面鋪設棉被及薄膜保溫直到第二年1月初，澆筑完成后開始采用冷卻水管通水降溫約10?d。圖2為按上述邊界條件模擬冷卻水循環10?d的內部和表面溫度及應力發展情況。內部最高溫度為55.1?℃，同時刻內、表溫差小于25?℃，滿足規范要求。上表面應力均小于抗拉強度，但是側外表面及上邊緣處的拉應力大于同時刻混凝土的抗拉強度，有開裂縫風險。

表1列出了溫度監測峰值情況。2、3、6#墩承臺最高溫度比計算峰值高約7?℃，同時刻實測表面溫度與內部峰值溫度差約30?℃；4、5#墩承臺最高溫度比計算峰值高10?℃；7#墩承臺實測溫度最高，達到68.4?℃；而6#、7#承臺內、表溫差分別達到38.7?℃、46.6?℃。實測溫度峰值高于理論計算值，主要是由于冷卻水降溫不足，據調查，實際操作過程中，并沒有嚴格按照既定的循環水降溫方案執行。由實測可知，承臺內、表溫差均超過規范允許值，是導致承臺開裂的重要原因，上述溫差大小也與各承臺的開裂嚴重程度相符。6#、7#承臺外表面實測溫度均在20?℃左右（圖2），低于其他承臺，表明6#、7#承臺保溫措施不到位，散熱較快，這也是導致其開裂嚴重的原因之一。

7#墩承臺由于停電只通水降溫1?d，按此模擬計算得到內、表溫度變化見圖3所示。由此可見，停止冷卻水后，內部最高溫度達到68.4℃（混凝土澆后68h），比正常通水條件下的最高溫度高5.8?℃，但是內、表溫差達到32.3?℃，大于規范規定的25?℃。7#墩承臺實測溫度見圖3，實測最高溫度為69.1?℃（混凝土澆后72?h），與理論分析值接近。分析表明，在內部溫度達到峰值時刻承臺表面上邊緣處最大拉應力達到4.7?MPa，遠大于該時刻混凝土的抗拉強度2.2?MPa，因此理論分析表明這種情況下會引起混凝土開裂。實際上從現場施工反饋的情況表明，冷卻水并沒有按照既定的方案進行通水和養護，實測內、表溫差大于25℃也沒有及時采取措施，所以導致這段時間澆筑的承臺均出現不同程度的開裂。

如上所述，按上述既定施工方案計算分析，側外表面和上邊緣處拉應力超過其抗拉強度，有列裂風險。發生上述問題主要在于環境溫度較低，再加之待混凝土達到終疑后才將側面的鋼模板更換為棉被覆蓋，導致前期外側表面通過鋼模板散熱快，溫度梯度變化大，從而產生較大的拉應力。因此冬季低溫環境下，應考慮在混凝土澆筑后即在側面鋼模板上也覆蓋棉被保溫，5?℃以下應考慮搭設保溫棚并輔以加熱措施，以提供更好的保溫環境。模擬分析表明：澆筑完混凝土后即采用棉被覆蓋在鋼模板上，可以為側面提供更好的保溫措施，側表面的拉應力可降低至2.0?MPa以下，從而可避免側表面開裂；但是上邊緣由于單元雙面散熱，溫度梯度大，局部拉應力還是比較大，進一步在上邊緣處再覆蓋一層5?cm厚棉被，邊緣最大拉應力可控制在2.4?MPa以下，小于同時刻混凝土的抗拉強度2.7?MPa，基本確保邊緣混凝土不開裂。

3?開裂承臺有限元分析計算

3.1?有限元模型建立

為了分析承臺開裂后對其受力的影響，采用有限元軟件ABAQUS建立承臺分析模型，為了加載方便模型含下部2.5?m高實體墩身，如圖4所示。承臺底樁基僅模擬0.5?m，直接約束樁底。不考慮承臺下墊層的支承作用，這樣簡化分析結果趨于保守。同時為了提高計算效率，計算模型中未考慮鋼筋的作用，如果考慮鋼筋計算結果會更小。

承臺裂縫采用ABAQUS中的XFEM法模擬裂紋在荷載作用下的擴展情況，主要模擬2條典型裂縫。7#墩在有限元模型中的裂縫數值，如表2所示。

3.2?計算荷載參數

承臺有限元分析模型，只考慮承臺以上2.5?m高墩身（實體段），墩身2.5?m以上的重量，按均布荷載施加在墩身截面上。計算荷載參數如表3所示。圖4中右側墩為單線，其余3個橋墩為雙線。

4?承臺局部承載力分析

4.1?無裂縫受力分析

無裂縫情況下，承臺在運營狀態下的橫橋向應力分布如圖5所示。承臺應力最大拉應力為0.717?MPa，位于樁周邊沿與承臺連接處；最大壓應力發生樁頂中心，為1.45?MPa。兩個橋墩之間的承臺上表面均出現拉應力，分別為0.395?MPa、0.335?MPa、0.403?MPa，這是由于兩個橋墩受到向下的壓力作用導致。由計算可知，在無裂縫情況下，混凝土拉應力小于C35極限抗拉強度3.50?MPa。

4.2?實際開裂情況下受力分析

裂縫①情況下，承臺的橫向拉應力分布見圖6所示。承臺最大拉應力0.585?MPa，位于承臺底面。開裂面上相當于是兩個分離體，此處橫向拉應力接近0，而兩側8線和6線、I線和3線之間的承臺表面由于缺少了裂縫面的約束，其拉應力反而比無裂縫時小，由0.717?MPa減小為0.585?MPa。圖7顯示，裂縫面上拉、壓應力都很小，為-0.079～0.033?MPa。圖8也表明：無裂縫情況下截面中間上表面處出現拉應力0.33?MPa，而開裂后由于成為近似自由面，反而僅有很小的拉應力0.09?MPa；而裂縫面下的實體單元，最大壓應力幾乎相等（-1.13?MPa和-1.14?MPa），說明裂縫的存在對壓力的傳遞影響很小。因此，在運營狀態下，由于承臺受壓，裂縫面上的拉應力很小，裂縫不會繼續擴展。

裂縫②情況下，承臺的橫向拉應力分布見圖9所示。承臺上表面最大拉應力為0.713?MPa。由于橋墩在裂縫面處，導致該區域承受壓力，裂縫面上無拉應力（圖10），因此不會引起開裂。再對比有、無裂縫的情況，該處基本上受壓，僅有很小的拉應力，而且拉應力出現的范圍也基本相同。因此，同①裂縫一樣，在裂縫處不會繼續開裂。

4.3?危險裂縫修補后受力分析

考慮裂縫①通過壓力注漿，假定開槽或注漿封閉外表面0.5?m深度的裂縫，中間裂縫仍然存在，在這種情況下，分析內部裂縫的發展情況。計算結果見圖11～13所示。由計算可知，裂縫修補后，與無裂紋狀態下的最大拉、壓應力完全一致（圖11與圖5）。圖12中上圖為裂縫所在的橫截面，圖中方框中即是未封閉的裂縫面，下圖是未封閉裂縫面上的應力，由圖中可見未封閉的裂縫面周邊的最大拉應力為0.04?MPa。

同樣對裂縫②封閉0.20?m深度，計算結果見圖13所示，內部裂縫剖面上的應力均是壓應力，因此也不存在繼續開裂的風險。由此可見，裂縫注漿封閉后，在運營狀態下裂縫均不會繼續擴展。

5?承臺裂縫修補方案

根據現場病害情況，結合現場環境特點及材料性能特點，擬根據混凝土結構部位和裂縫寬度的不同，采取不同的病害整治方案，如表4所示。

5.1?表面封閉法

表面封閉法所用涂層材料為滿足規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。施工適宜溫度10～30?℃，雨雪天氣不得施工。工藝流程及修補方法如下。

（1）裂縫表面清理：使用鋼絲刷將裂縫表面兩側刷毛，用吹風機清除灰塵等雜物。當裂縫內有明水時，應使用熱風機將裂縫吹干。

（2）配制封閉材料：嚴格按照表面封閉材料的配合比配制材料，單次配料量根據修補量和材料狀態變化時間進行合理確定。

（3）涂刷封閉材料：先沿裂縫表面涂刷一層底涂材料，待底涂材料表干后，涂刷表面封閉用涂層材料，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層材料表干后再涂，且兩次涂刷方向相互垂直。

（4）場地清理：施工完畢后按要求將施工區域及周圍環境清理整潔，做到工完、料凈、場地清。

5.2?低壓注漿法

低壓注漿法所用材料為滿足規范要求的TK-NCLF-EJ型低粘高強注漿膠。施工適宜溫度10～30?℃，雨雪天氣不得施工。工藝流程及修補方法如下。

（1）裂縫表面清理：為保證修補效果，采用鋼絲刷和真空除塵器清理裂縫表面的灰塵、浮渣，采用真空吸塵器和吹風機盡量清除裂縫內的灰塵雜物和積水，并將裂縫兩側50?mm擦拭干凈后保持干燥，修整不平整部位。

（2）安裝注膠針頭：根據裂縫分布圖和裂縫寬度確認注漿嘴粘貼位置。

（3）封邊：采用專用封邊膠涂抹裂縫表面進行封邊。

（4）配制注漿膠：按照相關產品說明，并經試驗檢測滿足性能指標后，進行注漿膠修補材料的配制。配制過程應攪拌均勻，現配現用。

（5）低壓注膠：將雙組份注漿機的注漿槍頭與已安裝的注膠針頭相連，以0.2?MPa左右的注漿壓力，開始注入修補材料。當注射至無法再注入修補材料時，拔下注膠槍頭，然后連接到附近無漿液滲出的注膠針頭上，繼續注膠，依此，直至完成整條裂縫的注膠工作。

（6）打磨處理：修補材料完全固化后，鑿除注漿嘴和封邊材料，并用角磨機將裂縫表面打磨平整，力求平整、光潔、美觀。

5.3?修補后質量檢驗

對采用低壓注漿法修補處理的區域應進行注漿質量檢驗。檢驗時應進行隨機抽樣鉆芯取樣，按裂縫條數計，抽取進行鉆取芯樣的裂縫比例不低于30%，所抽取的裂縫鉆取芯樣數量不少于2個。鉆孔直徑宜18?mm，不大于30?mm，芯樣長度宜為50?mm，當保護層厚度小于50?mm時，芯樣長度取保護層厚度。

結果判定：芯樣漿液飽滿，無明顯縫隙、并已將裂縫兩側混凝土粘結成一整體，則注漿飽滿度視為合格；若芯樣裂縫部位存在明顯孔隙，且能將芯樣劈開，劈開后粘結面積小于裂縫面積的90%，則注漿飽滿度視為不合格。芯樣不合格則加倍取樣，仍不合格則判為注漿不合格。

6?結論

以高寒地區某新建鐵路橋墩為工程背景，分析了承臺大體積混凝土裂縫的產生的原因以及裂后的受力情況，并提出了整治措施。

（1）高寒地區冬季大體積混凝土應做好養護保溫措施，尤其應注意上邊緣的保溫，必要時應搭設保溫棚。

（2）大體積混凝土澆筑后，應嚴格按照施工規范采取養護保溫保濕措施，應實時監測內表溫差情況，發現超出規范限值后應及時調整養護策略，避免混凝土開裂。

（3）橋墩承臺主要承受壓力，承臺裂縫處受力較小，在運營荷載作用下不會繼續開裂。

（4）模擬分析了封閉裂縫表面之后，內部裂縫面處的應力也很低，不會引起裂縫發展。

（5）針對不同的裂縫提出了，根據現場病害情況，結合現場環境特點及材料性能特點，采取表面封閉法和低壓注漿法整治方案，修補后各裂縫質量檢驗均滿足要求。

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