大截面混凝土沉井早期裂缝预防措施现场试验研究.pdf
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1、2 0 1 6年第 3期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i ne e r i n g 文章 编 号 : 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 6 ) 0 3 0 0 0 1 0 4 大截面混凝土沉井早期裂缝预防措施现场试验研究 胡伟 明 , 马建林 , 李军堂 , 蒋炳楠 , 余 允峰 ( 1 西 南交通大学 土木工程学 院 , 四川 成都6 1 0 0 3 1 ; 2 中铁大桥局集 团有限公司 , 湖北 武汉4 3 0 0 5 0 ) 摘要 : 多数 混凝 土的早期 裂 缝是 由混凝 土收 缩 引起 的 , 尽 管 对 于混 凝 土收 缩 的研 究 已取得 较 大进
2、展 , 但 至今还未被业界完全掌握 。本文针对沪通长江大桥超大截面混凝土沉井, 通过理论分析 , 确定引起 混凝 土收 缩的主要 因素为 温降收 缩 、 干燥收 缩和 自收 缩 , 继 而组 织现 场 试验 , 分 析 各 因素对 该 项 目现 浇混 凝 土收缩的影响。研 究结果表明: 控制温度梯度 的工程措施对该项 目混凝土收缩的作 用不明显 ; 通长布置 抗裂钢筋可缓解在 变截面处 出现收缩应力过大的现象; 后 浇段有助 于释放 由于混凝土收缩产生的拉应 力 , 进 而避免 收缩 裂缝 的产 生。研 究成 果直接 用 于指 导 沪通 大桥 大截 面 沉 井现 场施 工 , 并 可为今后 类
3、 似 工程提供数据参考。 关键 词 : 沪通 长江 大桥 大截 面混凝 土 沉 井 早期 裂缝 防裂措 施现场 试验 中图分类号: U 4 4 3 1 3 1 文献标识码 : A D O I : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 6 0 3 O 1 混凝土早期开裂是指结构在施工期间 , 荷载 尚未 完全施加时, 部分现浇混凝土在拆模或养护过程 中出 现的裂缝。研究表明, 对于混凝土早期裂缝 , 荷载并不 是导致其产生的主要原因, 9 0 以上的早期裂缝是 由 于混凝土收缩引起 , 尤其是细长型大截面混凝土结构 , 收缩更是混凝土开裂的主要诱
4、因。尽管 目前对于混凝 土收缩的研究已取得较大进展, 但因收缩现象的复杂 性 , 至今还未被业 界完全掌握 ” 。本文通过现场试 验, 从现场施工的角度分析不同工程措施及工艺在预 防混凝土早期开裂中的作用。 1 超大截面沉井混凝土收缩 力学模型 1 1沉井工 程概 况 沪通长 江大 桥主 塔 2 8 墩基 础 采用 倒 圆角 的矩 形 沉井基础方案。矩形沉井井身平面尺寸为 8 6 9 m 5 8 7 m, 倒圆半径为 7 4 5 i n , 混凝土沉井壁厚 1 8 m, 隔墙 厚 I 3 1 1 3 , 为 方便 吸泥取 土 下沉 , 沉 井平 面 布 置 为 2 4个 1 3 m1 3 m
5、井 孔 。沉 井 下 部 4 4 m 高 的 范 围 为 钢沉井 , 其余为钢筋混凝土沉井 , 底节及顶节高 8 i n , 其余每节高约 6 m。沉井平面见图 1 。 1 2混凝土 收缩 力学模 型 现有研究成果表 明 , 对 于混凝 土早 期裂缝影 收稿 日期 : 2 0 1 5 - 0 9 2 8 ; 修 回日期 : 2 0 1 5 1 2 2 5 基金项 目: 中国铁路总公司科技研究开发计划( 2 0 1 3 G 0 0 1 A 2 ) 第一作者 : 胡伟 明( 1 9 8 5 一) , 男, 博士研究生 。 通 讯作者 : 马建林 ( 1 9 5 8 一) , 男 , 教授 , 博
6、士。 1 2 沉井 顶面 图 1 沉井平 面( 单 位 : c m) 响较 大 的 因素 主 要 是 温 降 收 缩 、 干 燥 收 缩 和 自收 缩 。 对于本文研究的沉井 , 从平面上看 , 是 由许多尺寸相同 的局部单元组合而成 , 故可选取沉井平面的一个局部单 元作为计算分析对象。隔墙相交的地方定义为 A构件, 两个 A构件之间的隔墙定义为 B构件, 如图 2 所示。因 A构件 为轴对称 且为对称受 力 , 可进一 步将 B构 件两端 的 A构件简化为固定端, 成为 B构件的约束。 A 图 2 混凝土 收缩分析 力学模型 ( 单位 : c m) 2 铁道建筑 根据混凝土极限拉伸试验可
7、知, 低强度等级混凝 土的极限拉伸应变可 以按 6 01 0 来估计 。对于 本工 点采 用 的 C 4 0混 凝 土 , 在 现场 条 件 下 极 限拉 伸 应 变 可 以 1 0 01 0 为限 。 在上述简化条件下 , 结合现有研究成果川 计算可 知 : 温 降收缩约 为 ( 6 01 2 0)1 0 、 干燥 收缩约 为 ( 2 0 0 4 0 0 )1 0一、 自收缩 为 ( 1 3 03 0 0 )X 1 0 。此 处考虑最不利条件 , 将上述 3项全部相加 , 然后减去混 凝 土 的极 限拉 伸应 变 , 得 到 收缩 应 变为 ( 3 0 07 2 0 ) 1 0 , 结合 A
8、, B构件 的几何尺寸 , 可得到 A构件 的裂 缝宽度合计为 01 3 7 mm, B构件沿轴向的裂缝宽度 合 计 为 0 3 6 m m。 因 A构件为轴对称构件 , 其裂缝应 为随机且均布 的微裂缝 , B构件为细长结构 , 其裂缝产生的位置为结 构变截面处 , 即 A构件和 B构件的衔接部位 。 抗 - (: 图 4 抗 裂钢筋设计 示意 钢筋接 头 率 5 0 。 2 3冷却 水管 在中间段隔墙及井壁交叉处的混凝土内部预埋冷 却水管 , 在混凝土浇筑完成 12 d后 , 开始循环供水 冷却 。 冷却水管的布置 , 可使现浇混凝土的水化 热随时 转移, 减小沿混凝土截面的温度梯度 ,
9、从而避免表面混 凝 土受拉 开 裂 。 2 预 防开裂 的工程措施 3 现场试 验及数据分析 为 防止 沉 井 因混 凝 土 的收 缩 效 应 而 产 生 收 缩 裂 缝 , 在混 凝 土沉井 施 工 中增 设 1 7个 后 浇 段 , 将 沉 井 整 个断面分割为 6个独立的收缩分块 。此外 , 混凝土沉 井防裂的技术措施还有增设冷却水管 、 增加抗裂钢筋 、 进行模板保温等现场施工措施 。 2 1后 浇段 在混凝土沉井增设后浇段 l 7处 , 横桥 向 7处 , 纵 桥 向 1 0处 , 共将 沉井 整个 断 面分 割为 6个 独立 的收 缩 分块。相邻两 节混凝土沉井 的后 浇段总体按对
10、 称布 置 , 以提高沉井整体的受力特性 , 后浇段结构平面图如 图 3所 示 。 图 3 后 浇段结 构平面 ( 单位 : e m) 后浇 段设 置 可 以给 t 昆凝 土 充 足 的 收 缩 空 间 和 时 间 , 使其收缩应力得到充分释放 , 待各分块收缩充分后 再进 行后 浇段 的浇筑 。 2 2 抗 裂钢 筋 抗裂钢筋 的设计原则是将混凝土沉井水平筋设置 为整根通长布置 , 以增大混凝 土沉井在隔墙交汇处的 整体抗拉强度从而达到抗裂的效果 , 如图 4所示 。 为满足抗裂钢筋设计要求 , 方便现场施工 , 需挪动 原设计水平向钢筋的位置 , 并在空 出的位置上增加抗 裂水平向钢筋 ,
11、 相互之间采用搭接连接 。采取对称反 向挪动的方式挪动设计水平 向钢筋 , 保证 同一断面的 现场试验共分为两个阶段 。第一阶段试验 中考察 所有预防开裂的工程措施 , 第二 阶段针对试验 中影响 较 为 明显 的措施 进 行对 比分 析 。 3 1 第一 阶段 试验 3 1 1 试 验 方案 第一阶段试验将沉井分成三个监测 区段 , 即中间 段、 上游段和下游段。后浇段平面位置及传感器 布置 如 图 5所 示 , 即上 游段 在 沉 井 隔 墙 相 交 的 区段 设 置通 长抗裂钢筋 ; 中间段按 现行通常方法施工混凝 土沉井 区段 , 并 在 隔 墙 与 井 壁 、 隔 墙 与 隔 墙 交
12、 叉 点 内 设 置 4 , 5 0 mm、 底 口联通 的冷 却 钢 管 ; 下 游 段 在 沉 井 隔墙 相 交的区段设置通长抗裂钢筋的基础上 , 在模板 内外侧 贴厚 3 c m的保温泡沫板对混凝土进行保温。亦即 : 上游段 , 后浇段 +抗裂钢筋 。 中间段 , 后浇段 +冷却管。 下 游段 , 后 浇段 +抗 裂钢 筋 +保温模 板 。 上 游 广 n 广 厂 U 几 H H f 、f H 一 稆 I I中间段 、,。_ L一 厂 _厂 -_ 南 唰 _后浇段 l混凝土应变计 钢筋应变计 图 5 第一阶段试验传感器 布置 2 0 1 6年第 3期 胡伟 明等 : 大截面混凝土沉井早期
13、裂缝预防措施现场试验研究 3 3 1 2数据 分析 各试验区段混凝土应变平均值对 比如图 6 。 图 6 各试验区段 混凝 土应 变平 均值对 比 由 图 6可 以看 出 : 上游段 ( 后浇带 +抗裂钢筋) 混凝土受力状态 总 体优于其他两区段。在混凝土浇筑完 67 d后 , 上游 段混凝 土受 力 状 态 主 要 呈 受 压 状 态 , 而其 他 两 区 ( 中 间段 和下游 段 ) 整 体上 处于 受拉状 态 。 中间段 ( 后浇带 +冷却管 ) 混凝土受力状态最差 。 该 区整体上处于受拉状态, 其最大拉伸应变 已接 近混 凝土开裂的拉伸应变极限值 。 下游段 ( 后浇带 +抗 裂钢笳
14、 +保 温模板 ) 混凝 土 受力状态居三者之 中。该区整体上处于受拉状态 , 但 其最 大拉伸 应变 为 中间段 区域 的 4 0 5 0 , 平 均拉 应变也 明显 小于 中间段 。 图 7为各试验区段混凝土内部温度平均值对 比结 果, 其平均值差异不明显, 总体在相近范围内。只是在 浇筑混凝土 48 d期间, 下游段混凝土内部温度下降 较其他两区段的慢 , 但之后温度基本维持在相同水 平 上 。可 以推 论 , 温 度 效 应 对 这 三 种 区段 的 影 响 基 本 相 同。 图 7 各试验 区段温度平均值对 比 3 2 第 二 阶段 试验 3 2 1 试验 方案 从第一阶段试验可知,
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- 截面 混凝土 沉井 早期 裂缝 预防措施 现场 试验 研究
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