基于检测与计算大跨径悬索桥锚锭大体积混凝土运营期裂缝成因分析

http://www.chinaqking.com 期刊门户-中国期刊网2019/9/2来源:《防护工程》2019年11期文/李锦芳
[导读]与以往的养护期间发生开裂不同,某悬索桥锚锭大体积混凝土结构发生后期运营裂缝现象。

广东虎门大桥有限公司  广东  东莞  523000
        摘要:与以往的养护期间发生开裂不同,某悬索桥锚锭大体积混凝土结构发生后期运营裂缝现象。本文中在对开裂现象调查、检测、空间计算的基础上,结合工程经验对其后期裂缝形成原因进行分析,认为其主要原因是:(1)分层龄期差造成上层混凝土的收缩受到下层混凝土的约束,从而使上层混凝土的底部承受较大的拉应力;(2)外部温度在短时间内降低时导致混凝土表面产生附加拉应力;(3)混凝土自身的收缩,归结为混凝土膨胀剂掺量不足;(4)结构自身抗温构造钢筋不足,导致结构自身抵抗开裂的能力偏弱;(5)设计参数取值、施工工艺、环境差别等因素也是造成大体积混凝土开裂的主要因素。(6)通过新研究的加固方法进行后期加固,经过分析及实例验证效果良好,至今未发现新的裂缝产生。
        关键词:悬索桥;锚锭大体积混凝土;后期裂缝;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
        某跨海大桥采用888米钢混结合梁悬索桥,桥梁走向为东西走向。该悬索桥采用重力式锚锭。东锚碇为明挖扩大基础,西锚碇基础为地下连续墙基础。东西锚碇的锚体为重力式钢筋混凝土结构,每个锚碇均分为上、下游各自独立的结构。其中,西岸锚锭在施工和养护期间未见明显开裂现象,然而在施工完成2个月后,陆续出现开裂,且有不断发展趋势。这种开裂现象不同于以往的大体积混凝土工程,本文将这种开裂称为后期运营及养护裂纹,并试图分析大体积混凝土后期裂纹的成因,并对加固后成果进行分析研究,以为同类工程提供参考。
       
        图1  某悬索桥立面图
        1 工程简介
        基础:东锚碇位于岩体破碎的威远后山坡上,基础设计为明挖扩大基础,西锚碇基础位于与上横挡岛连成一体的人工沙岛上,设计采用圆形地下连续墙构造进行基础施工,连续墙内土石方开挖后以20 号混凝土填芯,因锚体尺寸大于圆形连续墙,其悬出部分于连续墙后部(西侧)的上、下游各设3 根直径1.2 米的钻孔灌注桩。
        锚体:西锚碇为重力式钢筋混凝土结构,锚体为上下游各自独立的结构。西锚碇锚体的主要受力结构由散索鞍墩、后锚块、鞍部三部分组成。散索鞍墩由要承受由散索鞍传递的主缆径向力;后锚块主要受锚碇架锚杆、锚梁传递的主缆索股拉力;鞍部为散索鞍与锚块之间的传力结构。东锚碇锚体由散索鞍墩、后锚块、鞍部及后锚块连续墙构成一整体。东、西锚体均在散索鞍墩和后锚块之间的鞍部以上设置侧墙,侧墙顶铺设预制板,构成封闭锚室。西锚碇现场立面照见图1-1,设计图纸见图1-2~图1-5。
        锚碇钢框架:主缆拉力由锚碇钢框架由锚杆、锚梁、锚杆支架组成,主缆的110 根预制索股经由散索鞍在锚室中呈放射状散开,然后锚固于锚面外露的锚杆上,其连接方式采用单束锚固和双束锚固两种形式,锚体混凝土的锚杆四周表面进行特殊处理,使锚杆与混凝土之间无粘结,以便主缆索股通过锚杆直接传力到锚梁。
        (1)侧墙、后锚块混凝土均采用30 号。散索鞍墩及鞍部标高20m 以下采用30 号,标高20m 以上采用40 号。
        (2)钢筋:直径12 毫米及以上者采用Ⅱ级钢,直径10 毫米及以下采用Ⅰ级钢筋。
        (3)受力状况:锚碇承受由主缆传递的悬索桥上部恒、活载以及猫道和抗风缆传递的施工荷载。锚碇设计控制主缆拉力2×174400KN。
        (4)西锚碇浇筑层数:8*75cm+20*100cm+126cm+100cm+495cm,共计31 层(如图1-7)。
       
                
        图1-3  西锚碇平面图
       
        
        注:1.上代表上游块,下代表下游块;2.降温速率是指混凝土内部测点从最高温持续时间结束时起至停止通循环水这段时间内的每相邻24h的降温速率;3.里表温差是指从最高温持续时间开始时起至停止通循环水时间段内的里表温差。
        2 后期裂缝现象
        西岸锚碇主体混凝土于1997年3月浇筑施工完成,浇筑养护期间未发现明显裂缝。于施工完成后约12个月,陆续发现在西岸散索鞍支墩、压重块表面出现裂缝,并有逐渐扩展趋势。
        2016年经过仔细检测排查,某悬索桥西侧锚碇的 4个检测面的检测结论如下:
        (1)西侧锚碇4 个检测面的每条横向施工缝均存在开裂,总计裂缝数量为36 条,裂缝总长度为352m,裂缝宽度均介于0.15~0.2mm 之间。
        (2)西侧锚碇4 个检测面均存在竖向裂缝,总计竖向裂缝数量为237 条,竖向裂缝总长度为132m,其中补后开裂竖缝总量为22 条,补后开裂竖缝总长度为38m,未修补竖缝总量为145 条,未修补竖缝总长度为72m。补后开裂竖缝多为跨施工节段的较长裂缝,最大长度为8m,宽度为0.16mm,位于上游锚碇西墙,其余补后开裂竖缝宽度均介于0.15~0.2mm 之间。未修补竖缝均位于各施工节段内,长度介于0.3~1.5m 之间,宽度均小于0.15mm。竖向裂缝分布状况未发现明显特性。
        经过取芯验证裂缝深度显示:横向施工接缝深度介于12~13cm 之间;补后开裂竖向裂缝深度大于24.5cm;未修补裂缝深度为5.5cm。补后重新开裂竖缝中部分裂缝长度较长,跨多个施工节段,裂缝深度较深。
        (3)西侧锚碇4 个检测面均存在裂缝周围伴有明显锈水痕迹现象(此类裂缝简称“典型裂缝”),并且裂缝周围约5cm 范围内存在混凝土强度降低现象,局部有松散。总计典型裂缝数量为15 条,典型裂缝总长度为79m,裂缝宽度介于0.15~0.18mm 之间。取芯验证结果:典型裂缝周围5cm 范围外混凝土强度良好;裂缝测区内部钢筋存在轻度锈蚀。
        (4)经过对比性检测,东侧锚碇外墙除局部存在少量较短横向施工缝裂缝外,未发现类似西侧锚碇普遍存在裂缝的问题。
        裂缝分布示意图见图3、图4所示。
       
                
        图4  西侧下游锚碇后锚块外墙典型裂缝图
        3 锚锭空间数值模拟受力分析裂缝产生原因
        3.1 空间力学模型建立
        1、材料参数选取
        1)混凝土:侧墙、后锚块混凝土均采用30 号。散索鞍墩及鞍部标高20m 以下采用30 号,标高20m 以上采用40 号。
        2)钢筋:直径12 毫米及以上者采用Ⅱ级钢,直径10 毫米及以下采用Ⅰ级钢筋。
        3)钢材:锚杆、锚梁及附属件采用16Mn 钢,符合YB 473-85 标准。
        2、空间模型建立
        采用大型有限元软件ANSYS 建立西锚碇精细化模型,分别模拟了前锚室、后锚室、锚垫板、锚杆、基础等构件,对结构的复杂边界条件以及构件连接和约束情况进行简化模拟,模拟了主缆的110 根锚杆在锚室中呈放射状散开,采用单束锚固和双束锚固两种形式。通过建立锚梁、混凝土、锚杆,真实模拟了锚体混凝土的锚杆与混凝土之间无粘结,锚杆通过锚梁的承压面将主缆索股力传给锚体混凝土的受力状态。
        考虑到结构的对称性,模型为1/2 原结构。X、Y、Z 分别为桥梁的纵向、竖向和横向。混凝土采用solid45 单元,划分的最大单向尺寸不超过1m,均为六面体单元,共计36650 个solid 单元,对应节点共计41622 个;锚杆和锚梁均采用beam4 单元,锚杆共计66 根,包括22 根单锚杆和44 根双锚杆,锚梁共计59 根。锚杆和锚梁的beam4 单元共计125 个,对应节点共计132 个。西锚锭有限元离散图如下图所示:
       
                
        图3-4  模型侧面图
        
       
        
        图3-5  模型底面图
       
        
        图3-6  模型顶面图
        3.2 空间计算结果分析
        (1) 锚碇大体积混凝土在自重、锚杆力作用下,外墙大面积承受拉应力和压应力,应力值都不大,最大压应力0.1Mpa,最大拉应力0.57Mpa。说明由于锚碇体积较大,锚杆力对锚碇外墙影响不大。
        (2) 锚碇在自重、锚杆力、整体升温作用下,锚碇结构最大主拉应力2.5Mpa左右,其他位置的主拉应力基本在0.5~1Mpa之间。分析表明整体升温对后锚室侧墙应力影响较大,整体升温大体积混凝土膨胀,而底面限制结构膨胀,造成侧墙下缘拉应力过大。
        (3) 锚碇在自重、锚杆力、整体降温作用下,整体来看锚碇外墙基本受压(最大压应力0.68Mpa),仅在接近基础部位边界固定约束位置的主拉应力较大,这是因为基础边界条件限值位移,导致变形受阻,拉应力过大。
        (4) 锚碇在自重、锚杆力、局部升温作用下,锚碇结构整体受拉,拉应力大部分区域在0.13Mpa,主拉应力在后锚室背墙上部区域较大,最大主拉应力靠近顶部,为0.5Ma左右;在自重、锚杆力、局部降温作用下,锚碇结构后锚室背墙均受拉,最大主拉应力为2Mpa,发生在后锚室背墙上部位置。
        (5) 在自重、锚杆力、表面骤降20℃联合作用下,锚碇的前墙、侧墙、背墙均受拉,且主拉应力较大,结构最大主拉应力位于前后锚室侧墙距基础以上约1/3高度,大部分区域为2~3Mpa,最大值为5Mpa,发生在侧墙下缘,超出30号混凝土抗拉强度。
        4 大体积混凝土后期裂纹成因分析
        考虑到本案在施工期和养护期均未出现裂纹,因此,初步认为混凝土的水化热控制得当,施工过程中温控措施合理。一般来说,引起并导致大体积混凝土开裂的原因归根结底与内外温差、混凝土收缩、约束条件,以及自身的结构抗裂特性相关[1-3]。
        4.1混凝土龄期差
        西岸锚碇有裂缝分布分块与底层分块混凝土龄期差见表2。由表2可见,散索鞍支墩及压重块第1层与基础上盖板混凝土龄期差均较大,约1个月;第2层与第1层混凝土龄期差略小,约半个月;混凝土龄期差均超过了规范和设计要求的7d,尤其是第1 层混凝土超过较大。
        
                
        图4-1  混凝土龄期4个月时应力分布图
        由图4可见,由于不同层混凝土龄期差的影响,上层混凝土的干缩会受到下层混凝土的约束,从而使上层混凝土的底部承受较大的拉应力,计算最大值约0.9MPa。考虑到西岸锚碇压重块及散索鞍支墩均在夏季高温季节施工完成,实际的收缩值可能比规范值略大。
        4.2 “冷击效应”
        西岸锚碇压重体积较大,总体尺寸为61m×33m×16m,约214123。压重块浇筑完成后,顶面及侧面长期暴露在自然环境中,与《大体积混凝土施工规范》[5]中5.5.5条相悖。
        大体积混凝土由于尺寸较大,外部温度变化传递到内部路径较长,而混凝土的传热速率是个较为固定的值,当外部温度在短时间内降低时,混凝土外层温度已经降低,而内部温度仍然很高,造成内外温差拉大,混凝土表面因拉应力较大而开裂,即为“冷击效应”[6]。
        利用MIDAS CIVIL有限元软件,建立压重块实体模型,计算只考虑“冷击效应”。模型中设定压重块初始状态为均匀温度场,混凝土收缩徐变及自重等效应均不计,外部环境温度在短时间内降低5℃。结果见图5。
       
        
        4.4 结构自身抗裂性
        另外,混凝土是多相复合脆性材料,抗拉强度低,极限拉伸变形小[7]。大体积混凝土墩身在温度应力作用下,容易产生应力集中部位,如果构造钢筋配筋不足,就会导致局部混凝土抗拉力不足。降温阶段混凝土的收缩受到地基等外部约束而在混凝土内部产生拉应力,该拉应力首先抵消升温阶段产生的压应力,而在降温阶段后期变成较大的拉应力,从而在混凝土内部产生贯穿裂纹甚至贯穿裂缝。在混凝土表面适量配筋,约束混凝土在达到抗拉极限强度后的塑性变形从而分担混凝土的内应力,推迟混凝土裂纹的出现,亦即提高了混凝土的极限拉伸,防止或减少裂纹的产生[8]。
        西岸锚碇压重块及散索鞍支墩内部钢筋较少,仅有按1.2m 间距布置的架立筋,钢筋骨架对大体积混凝土的收缩变形约束不强。表面为按间距 15cm布置的直径 16mm钢筋,对混凝土局部抗裂作用不够。
        4.5 其他裂缝成因分析
        依据西锚碇空间计算结果与检测情况综合性分析,得到其他裂缝成因分析结论:
        (1)锚碇大体积混凝土在锚杆力作用下,外墙拉应力远未超标,表明锚杆力与锚碇外墙开裂关系不大;
        (2)锚碇整体升温和整体降温影响下,由于底面约束作用,仅能引起底面区域的较大拉应力,单纯整体温度变化不是造成外墙开裂的主要因素;
        (3)在局部降温影响下,背墙上缘主拉应力刚刚达到混凝土抗拉强度,表明局部降温对锚碇侧墙和外墙混凝土拉应力影响较大;
        (4)针对某悬索桥所在地天气特点设计的温度骤降表明,混凝土表面温度骤降对锚碇混凝土的侧墙、前墙、背墙应力影响较大,极易造成开裂。也就是混凝土“冷击效应”容易造成表面拉应力较大而开裂。
        (5)东锚碇处于山体植被覆盖下,裂缝明显少于西锚碇,说明环境的作用(温度、湿度)对锚碇开裂影响较大。
        综合以上分析,结合西岸锚碇裂缝分布特点,本作者认为,由于压重块及散索鞍支墩第1层侧面裂缝较多,且多为从底部延伸,因此,不同层的龄期差应是开裂的主导因素;而压重块顶面裂缝多为从压重块边角应力集中区延伸出来,因此,“冷击效应”应是这类开裂的主导因素;另外,材料配合比考虑不周,以及结构自身抗裂性如表层架立钢筋偏少等,也是导致西岸大体积混凝土开裂的影响因素。
        5 结论
        (1)不同层龄期差是某大体积混凝土后期裂纹形成的主导因素。数值分析表明,由于不同层混凝土龄期差的影响,上层混凝土的干缩会受到下层混凝土的约束,从而使上层混凝土的底部承受较大的拉应力。
        (2)“冷击效应”是某大体积混凝土后期裂纹形成的另一重要因素。数值分析表明,当外部温度在短时间内降低时,混凝土外层温度已经降低,而内部温度仍然很高,造成内外温差拉大,混凝土表面产生附加拉应力。
        (3)部分后期裂缝沿压重块后浇带施工缝分布,且宽度较大,应为混凝土自身收缩所致,归结为混凝土膨胀剂掺量不足。
        (4)结构自身抗温的构造钢筋不足,导致结构自身抵抗开裂的能力偏弱,也是造成该大体积混凝土后期裂纹的原因之一。
        (5)大体积混凝土容易出现先期裂缝,如水泥水化热影响、施工期外界温度变化影响、施工期混凝土收缩变形、材料施工工艺影响等;同样也容易产生后期裂缝,如混凝土龄期差、“冷击效应”、结构自身抗裂性、环境影响等。
        (6)判断西锚碇侧面及背面竖向裂缝是由于环境因素(长期的雨水冲刷、温度快速变化、甚至酸雨)、设计因素(原材料和配合比、抗裂钢筋)、施工工艺(混凝土分层浇筑龄期差、养护因素、拆模时间)等因素产生的变形裂缝,不属于荷载裂缝。
        (7)横向施工裂缝分析是由于施工期间的施工工艺不当造成混凝土横向施工接缝质量较差,加之在长期雨水冲刷、温度变化等外部环境作用下形成普遍开裂。当可见的宏观裂缝较宽较深时,结构的抗渗性能变差,导致水分及有害物质渗入,诱发钢筋加速锈蚀或混凝土的裂缝增大,从而损害工程结构的使用功能和耐久性,需要及时进行维修加固处治。
        参考文献
        [1]刘远飞,吴飞,高志刚.大体积混凝土温度裂缝成因分析与对策研究[J].山西建筑.
        [2]李华.大体积混凝土桥台裂纹检测及成因分析[J].建筑与工程.
        [3]李春旗.桥梁大体积混凝土构件非荷载裂缝成因分析[D].武汉:武汉理工大学.
        [4]黄耀英,郑宏,周宜红.考虑混凝土龄期及弹塑性徐变的大体积混凝土温度应力研究[J].四川大学学报:工程科学版.
        [5] GB50496-2009大体积混凝土施工规范[S].北京:中国计划出版社.
        [6]李树奇,严子军.山海关15万t级船坞工程大体积混凝土防裂技术措施[J].中国港湾建设.
        [7]王骞.膨胀型混凝土长期性能及徐变特性研究[D].大连:大连理工大学.
        [8]张垒,高 建,刘中存,等.大体积混凝土裂纹分析及预防措施[J].石油化工建设.
        [9]某悬索桥《西锚加固维护工程(一期)施工图.
        [10]《某大桥西锚维护加固工程质量评定报告》.