基于檢測與計算大跨徑懸索橋錨錠大體積混凝土運營期裂縫成因分析

發表時間︰2019/9/2   來源︰《防護工程》2019年11期   作者︰李錦芳
[導讀] 與以往的養護期間發生開裂不同,某懸索橋錨錠大體積混凝土結構發生後期運營裂縫現象。

廣東虎門大橋有限公司  廣東  東莞  523000
        摘要︰與以往的養護期間發生開裂不同,某懸索橋錨錠大體積混凝土結構發生後期運營裂縫現象。本文中在對開裂現象調查、檢測、空間計算的基礎上,結合工程經驗對其後期裂縫形成原因進行分析,認為其主要原因是︰(1)分層齡期差造成上層混凝土的收縮受到下層混凝土的約束,從而使上層混凝土的底部承受較大的拉應力;(2)外部溫度在短時間內降低時導致混凝土表面產生附加拉應力;(3)混凝土自身的收縮,歸結為混凝土膨脹劑摻量不足;(4)結構自身抗溫構造鋼筋不足,導致結構自身抵抗開裂的能力偏弱;(5)設計參數取值、施工工藝、環境差別等因素也是造成大體積混凝土開裂的主要因素。(6)通過新研究的加固方法進行後期加固,經過分析及實例驗證效果良好,至今未發現新的裂縫產生。
        關鍵詞︰懸索橋;錨錠大體積混凝土;後期裂縫;成因分析
        Analysis of Causes of Cracks in Large-volume Concrete During Operation Period of Large Span Suspension Bridge Based on Detection and Calculation
        Jinfang  Li
        Guangdong Humen Bridge Co., Ltd. Guangdong Dongguan 523000
        Abstract︰Under the previous cracking during curing, the cracks in the large-volume concrete structure of a suspension bridge anchor occurred in the later stage. Based on the investigation, detection and spatial calculation of cracking phenomenon, combined with engineering experience, the causes of the later crack formation are analyzed. The main reasons are as follows: (1) The shrinkage of the upper concrete caused by the delamination age is affected by the underlying concrete. The constraint, so that the bottom of the upper concrete is subjected to a large tensile stress; (2) the external temperature is reduced in a short time, causing additional tensile stress on the concrete surface; (3) the shrinkage of the concrete itself, which is attributed to the amount of concrete expansion agent Insufficient; (4) The structure itself has insufficient temperature-resistant structural steel bars, which leads to weaker resistance of the structure itself to cracking; (5) Factors such as design parameter values, construction techniques, and environmental differences are also the main factors causing cracking of large-volume concrete. (6) The reinforcement was carried out by the reinforcement method of the new research. After analysis and example verification, the new cracks were not found.
        Key words︰suspension bridge, anchor mass, mass concrete, late crack, cause analysis
       
        概述
        某跨海大橋采用888米鋼混結合梁懸索橋,橋梁走向為東西走向。該懸索橋采用重力式錨錠。東錨碇為明挖擴大基礎,西錨碇基礎為地下連續牆基礎。東西錨碇的錨體為重力式鋼筋混凝土結構,每個錨碇均分為上、下游各自獨立的結構。其中,西岸錨錠在施工和養護期間未見明顯開裂現象,然而在施工完成2個月後,陸續出現開裂,且有不斷發展趨勢。這種開裂現象不同于以往的大體積混凝土工程,本文將這種開裂稱為後期運營及養護裂紋,並試圖分析大體積混凝土後期裂紋的成因,並對加固後成果進行分析研究,以為同類工程提供參考。
       
        圖1  某懸索橋立面圖
        1 工程簡介
        基礎︰東錨碇位于岩體破碎的威遠後山坡上,基礎設計為明挖擴大基礎,西錨碇基礎位于與上橫擋島連成一體的人工沙島上,設計采用圓形地下連續牆構造進行基礎施工,連續牆內土石方開挖後以20 號混凝土填芯,因錨體尺寸大于圓形連續牆,其懸出部分于連續牆後部(西側)的上、下游各設3 根直徑1.2 米的鑽孔灌注樁。
        錨體︰西錨碇為重力式鋼筋混凝土結構,錨體為上下游各自獨立的結構。西錨碇錨體的主要受力結構由散索鞍墩、後錨塊、鞍部三部分組成。散索鞍墩由要承受由散索鞍傳遞的主纜徑向力;後錨塊主要受錨碇架錨桿、錨梁傳遞的主纜索股拉力;鞍部為散索鞍與錨塊之間的傳力結構。東錨碇錨體由散索鞍墩、後錨塊、鞍部及後錨塊連續牆構成一整體。東、西錨體均在散索鞍墩和後錨塊之間的鞍部以上設置側牆,側牆頂鋪設預制板,構成封閉錨室。西錨碇現場立面照見圖1-1,設計圖紙見圖1-2~圖1-5。
        錨碇鋼框架︰主纜拉力由錨碇鋼框架由錨桿、錨梁、錨桿支架組成,主纜的110 根預制索股經由散索鞍在錨室中呈放射狀散開,然後錨固于錨面外露的錨桿上,其連接方式采用單束錨固和雙束錨固兩種形式,錨體混凝土的錨桿四周表面進行特殊處理,使錨桿與混凝土之間無粘結,以便主纜索股通過錨桿直接傳力到錨梁。
        (1)側牆、後錨塊混凝土均采用30 號。散索鞍墩及鞍部標高20m 以下采用30 號,標高20m 以上采用40 號。
        (2)鋼筋︰直徑12 毫米及以上者采用Ⅱ級鋼,直徑10 毫米及以下采用Ⅰ級鋼筋。
        (3)受力狀況︰錨碇承受由主纜傳遞的懸索橋上部恆、活載以及貓道和抗風纜傳遞的施工荷載。錨碇設計控制主纜拉力2×174400KN。
        (4)西錨碇澆築層數︰8*75cm+20*100cm+126cm+100cm+495cm,共計31 層(如圖1-7)。
       
                
        圖1-3  西錨碇平面圖
       
        
        注︰1.上代表上游塊,下代表下游塊;2.降溫速率是指混凝土內部測點從最高溫持續時間結束時起至停止通循環水這段時間內的每相鄰24h的降溫速率;3.里表溫差是指從最高溫持續時間開始時起至停止通循環水時間段內的里表溫差。
        2 後期裂縫現象
        西岸錨碇主體混凝土于1997年3月澆築施工完成,澆築養護期間未發現明顯裂縫。于施工完成後約12個月,陸續發現在西岸散索鞍支墩、壓重塊表面出現裂縫,並有逐漸擴展趨勢。
        2016年經過仔細檢測排查,某懸索橋西側錨碇的 4個檢測面的檢測結論如下︰
        (1)西側錨碇4 個檢測面的每條橫向施工縫均存在開裂,總計裂縫數量為36 條,裂縫總長度為352m,裂縫寬度均介于0.15~0.2mm 之間。
        (2)西側錨碇4 個檢測面均存在豎向裂縫,總計豎向裂縫數量為237 條,豎向裂縫總長度為132m,其中補後開裂豎縫總量為22 條,補後開裂豎縫總長度為38m,未修補豎縫總量為145 條,未修補豎縫總長度為72m。補後開裂豎縫多為跨施工節段的較長裂縫,最大長度為8m,寬度為0.16mm,位于上游錨碇西牆,其余補後開裂豎縫寬度均介于0.15~0.2mm 之間。未修補豎縫均位于各施工節段內,長度介于0.3~1.5m 之間,寬度均小于0.15mm。豎向裂縫分布狀況未發現明顯特性。
        經過取芯驗證裂縫深度顯示︰橫向施工接縫深度介于12~13cm 之間;補後開裂豎向裂縫深度大于24.5cm;未修補裂縫深度為5.5cm。補後重新開裂豎縫中部分裂縫長度較長,跨多個施工節段,裂縫深度較深。
        (3)西側錨碇4 個檢測面均存在裂縫周圍伴有明顯蚺聹疙騍{象(此類裂縫簡稱“典型裂縫”),並且裂縫周圍約5cm 範圍內存在混凝土強度降低現象,局部有松散。總計典型裂縫數量為15 條,典型裂縫總長度為79m,裂縫寬度介于0.15~0.18mm 之間。取芯驗證結果︰典型裂縫周圍5cm 範圍外混凝土強度良好;裂縫測區內部鋼筋存在輕度袘k。
        (4)經過對比性檢測,東側錨碇外牆除局部存在少量較短橫向施工縫裂縫外,未發現類似西側錨碇普遍存在裂縫的問題。
        裂縫分布示意圖見圖3、圖4所示。
       
                
        圖4  西側下游錨碇後錨塊外牆典型裂縫圖
        3 錨錠空間數值模擬受力分析裂縫產生原因
        3.1 空間力學模型建立
        1、材料參數選取
        1)混凝土︰側牆、後錨塊混凝土均采用30 號。散索鞍墩及鞍部標高20m 以下采用30 號,標高20m 以上采用40 號。
        2)鋼筋︰直徑12 毫米及以上者采用Ⅱ級鋼,直徑10 毫米及以下采用Ⅰ級鋼筋。
        3)鋼材︰錨桿、錨梁及附屬件采用16Mn 鋼,符合YB 473-85 標準。
        2、空間模型建立
        采用大型有限元軟件ANSYS 建立西錨碇精細化模型,分別模擬了前錨室、後錨室、錨墊板、錨桿、基礎等構件,對結構的復雜邊界條件以及構件連接和約束情況進行簡化模擬,模擬了主纜的110 根錨桿在錨室中呈放射狀散開,采用單束錨固和雙束錨固兩種形式。通過建立錨梁、混凝土、錨桿,真實模擬了錨體混凝土的錨桿與混凝土之間無粘結,錨桿通過錨梁的承壓面將主纜索股力傳給錨體混凝土的受力狀態。
        考慮到結構的對稱性,模型為1/2 原結構。X、Y、Z 分別為橋梁的縱向、豎向和橫向。混凝土采用solid45 單元,劃分的最大單向尺寸不超過1m,均為六面體單元,共計36650 個solid 單元,對應節點共計41622 個;錨桿和錨梁均采用beam4 單元,錨桿共計66 根,包括22 根單錨桿和44 根雙錨桿,錨梁共計59 根。錨桿和錨梁的beam4 單元共計125 個,對應節點共計132 個。西錨錠有限元離散圖如下圖所示︰
       
                
        圖3-4  模型側面圖
        
       
        
        圖3-5  模型底面圖
       
        
        圖3-6  模型頂面圖
        3.2 空間計算結果分析
        (1) 錨碇大體積混凝土在自重、錨桿力作用下,外牆大面積承受拉應力和壓應力,應力值都不大,最大壓應力0.1Mpa,最大拉應力0.57Mpa。說明由于錨碇體積較大,錨桿力對錨碇外牆影響不大。
        (2) 錨碇在自重、錨桿力、整體升溫作用下,錨碇結構最大主拉應力2.5Mpa左右,其他位置的主拉應力基本在0.5~1Mpa之間。分析表明整體升溫對後錨室側牆應力影響較大,整體升溫大體積混凝土膨脹,而底面限制結構膨脹,造成側牆下緣拉應力過大。
        (3) 錨碇在自重、錨桿力、整體降溫作用下,整體來看錨碇外牆基本受壓(最大壓應力0.68Mpa),僅在接近基礎部位邊界固定約束位置的主拉應力較大,這是因為基礎邊界條件限值位移,導致變形受阻,拉應力過大。
        (4) 錨碇在自重、錨桿力、局部升溫作用下,錨碇結構整體受拉,拉應力大部分區域在0.13Mpa,主拉應力在後錨室背牆上部區域較大,最大主拉應力靠近頂部,為0.5Ma左右;在自重、錨桿力、局部降溫作用下,錨碇結構後錨室背牆均受拉,最大主拉應力為2Mpa,發生在後錨室背牆上部位置。
        (5) 在自重、錨桿力、表面驟降20℃聯合作用下,錨碇的前牆、側牆、背牆均受拉,且主拉應力較大,結構最大主拉應力位于前後錨室側牆距基礎以上約1/3高度,大部分區域為2~3Mpa,最大值為5Mpa,發生在側牆下緣,超出30號混凝土抗拉強度。
        4 大體積混凝土後期裂紋成因分析
        考慮到本案在施工期和養護期均未出現裂紋,因此,初步認為混凝土的水化熱控制得當,施工過程中溫控措施合理。一般來說,引起並導致大體積混凝土開裂的原因歸根結底與內外溫差、混凝土收縮、約束條件,以及自身的結構抗裂特性相關[1-3]。
        4.1混凝土齡期差
        西岸錨碇有裂縫分布分塊與底層分塊混凝土齡期差見表2。由表2可見,散索鞍支墩及壓重塊第1層與基礎上蓋板混凝土齡期差均較大,約1個月;第2層與第1層混凝土齡期差略小,約半個月;混凝土齡期差均超過了規範和設計要求的7d,尤其是第1 層混凝土超過較大。
        
                
        圖4-1  混凝土齡期4個月時應力分布圖
        由圖4可見,由于不同層混凝土齡期差的影響,上層混凝土的干縮會受到下層混凝土的約束,從而使上層混凝土的底部承受較大的拉應力,計算最大值約0.9MPa。考慮到西岸錨碇壓重塊及散索鞍支墩均在夏季高溫季節施工完成,實際的收縮值可能比規範值略大。
        4.2 “冷擊效應”
        西岸錨碇壓重體積較大,總體尺寸為61m×33m×16m,約214123。壓重塊澆築完成後,頂面及側面長期暴露在自然環境中,與《大體積混凝土施工規範》[5]中5.5.5條相悖。
        大體積混凝土由于尺寸較大,外部溫度變化傳遞到內部路徑較長,而混凝土的傳熱速率是個較為固定的值,當外部溫度在短時間內降低時,混凝土外層溫度已經降低,而內部溫度仍然很高,造成內外溫差拉大,混凝土表面因拉應力較大而開裂,即為“冷擊效應”[6]。
        利用MIDAS CIVIL有限元軟件,建立壓重塊實體模型,計算只考慮“冷擊效應”。模型中設定壓重塊初始狀態為均勻溫度場,混凝土收縮徐變及自重等效應均不計,外部環境溫度在短時間內降低5℃。結果見圖5。
       
        
        4.4 結構自身抗裂性
        另外,混凝土是多相復合脆性材料,抗拉強度低,極限拉伸變形小[7]。大體積混凝土墩身在溫度應力作用下,容易產生應力集中部位,如果構造鋼筋配筋不足,就會導致局部混凝土抗拉力不足。降溫階段混凝土的收縮受到地基等外部約束而在混凝土內部產生拉應力,該拉應力首先抵消升溫階段產生的壓應力,而在降溫階段後期變成較大的拉應力,從而在混凝土內部產生貫穿裂紋甚至貫穿裂縫。在混凝土表面適量配筋,約束混凝土在達到抗拉極限強度後的塑性變形從而分擔混凝土的內應力,推遲混凝土裂紋的出現,亦即提高了混凝土的極限拉伸,防止或減少裂紋的產生[8]。
        西岸錨碇壓重塊及散索鞍支墩內部鋼筋較少,僅有按1.2m 間距布置的架立筋,鋼筋骨架對大體積混凝土的收縮變形約束不強。表面為按間距 15cm布置的直徑 16mm鋼筋,對混凝土局部抗裂作用不夠。
        4.5 其他裂縫成因分析
        依據西錨碇空間計算結果與檢測情況綜合性分析,得到其他裂縫成因分析結論︰
        (1)錨碇大體積混凝土在錨桿力作用下,外牆拉應力遠未超標,表明錨桿力與錨碇外牆開裂關系不大;
        (2)錨碇整體升溫和整體降溫影響下,由于底面約束作用,僅能引起底面區域的較大拉應力,單純整體溫度變化不是造成外牆開裂的主要因素;
        (3)在局部降溫影響下,背牆上緣主拉應力剛剛達到混凝土抗拉強度,表明局部降溫對錨碇側牆和外牆混凝土拉應力影響較大;
        (4)針對某懸索橋所在地天氣特點設計的溫度驟降表明,混凝土表面溫度驟降對錨碇混凝土的側牆、前牆、背牆應力影響較大,極易造成開裂。也就是混凝土“冷擊效應”容易造成表面拉應力較大而開裂。
        (5)東錨碇處于山體植被覆蓋下,裂縫明顯少于西錨碇,說明環境的作用(溫度、濕度)對錨碇開裂影響較大。
        綜合以上分析,結合西岸錨碇裂縫分布特點,本作者認為,由于壓重塊及散索鞍支墩第1層側面裂縫較多,且多為從底部延伸,因此,不同層的齡期差應是開裂的主導因素;而壓重塊頂面裂縫多為從壓重塊邊角應力集中區延伸出來,因此,“冷擊效應”應是這類開裂的主導因素;另外,材料配合比考慮不周,以及結構自身抗裂性如表層架立鋼筋偏少等,也是導致西岸大體積混凝土開裂的影響因素。
        5 結論
        (1)不同層齡期差是某大體積混凝土後期裂紋形成的主導因素。數值分析表明,由于不同層混凝土齡期差的影響,上層混凝土的干縮會受到下層混凝土的約束,從而使上層混凝土的底部承受較大的拉應力。
        (2)“冷擊效應”是某大體積混凝土後期裂紋形成的另一重要因素。數值分析表明,當外部溫度在短時間內降低時,混凝土外層溫度已經降低,而內部溫度仍然很高,造成內外溫差拉大,混凝土表面產生附加拉應力。
        (3)部分後期裂縫沿壓重塊後澆帶施工縫分布,且寬度較大,應為混凝土自身收縮所致,歸結為混凝土膨脹劑摻量不足。
        (4)結構自身抗溫的構造鋼筋不足,導致結構自身抵抗開裂的能力偏弱,也是造成該大體積混凝土後期裂紋的原因之一。
        (5)大體積混凝土容易出現先期裂縫,如水泥水化熱影響、施工期外界溫度變化影響、施工期混凝土收縮變形、材料施工工藝影響等;同樣也容易產生後期裂縫,如混凝土齡期差、“冷擊效應”、結構自身抗裂性、環境影響等。
        (6)判斷西錨碇側面及背面豎向裂縫是由于環境因素(長期的雨水沖刷、溫度快速變化、甚至酸雨)、設計因素(原材料和配合比、抗裂鋼筋)、施工工藝(混凝土分層澆築齡期差、養護因素、拆模時間)等因素產生的變形裂縫,不屬于荷載裂縫。
        (7)橫向施工裂縫分析是由于施工期間的施工工藝不當造成混凝土橫向施工接縫質量較差,加之在長期雨水沖刷、溫度變化等外部環境作用下形成普遍開裂。當可見的宏觀裂縫較寬較深時,結構的抗滲性能變差,導致水分及有害物質滲入,誘發鋼筋加速袘k或混凝土的裂縫增大,從而損害工程結構的使用功能和耐久性,需要及時進行維修加固處治。
        參考文獻
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        [8]張壘,高 建,劉中存,等.大體積混凝土裂紋分析及預防措施[J].石油化工建設.
        [9]某懸索橋《西錨加固維護工程(一期)施工圖.
        [10]《某大橋西錨維護加固工程質量評定報告》.

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