大體積混凝土施工技術及承臺病害分析加固設計
2015-08-04
一、前言
隨著我國的高速鐵路的不斷發(fā)展，橋梁工程在近幾年修建鐵路中比例高達50%；但是任何混凝土工程均存在開裂的通病，因此，加強對大體積混凝土施工的控制措施及病害的加固設計探討具有重要意義。
二、大體積混凝土溫度施工控制技術
按照規(guī)范規(guī)定，混凝土結構物實體最小幾何尺寸不小于1m的大體量混凝土或預計會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導致有害裂紋產(chǎn)生的混凝土均為大體積混凝土。裂縫嚴重影響混凝土的施工質(zhì)量和外觀，因此橋梁墩身及承臺混凝土裂縫的控制是施工難點。
混凝土的水化熱產(chǎn)生較大的溫度變化及收縮作用，是導致大體積混凝土出現(xiàn)裂縫的主要原因，合理的控制溫差變化是保證不產(chǎn)生裂縫的根本。一般規(guī)定將非均勻溫差應控制在25°C 內(nèi)。施工中主要從降低水泥水化熱、降低混凝土入模溫度、降低混凝土內(nèi)部溫度通水散熱保持混凝土表面溫度嚴格控制拆模時間等方面做好混凝土溫度控制工作，盡量降低混凝土內(nèi)部溫度的升降速率，確保內(nèi)外溫差控制在25°C 以內(nèi)。
控制措施一：優(yōu)化混凝土配合比，增加粉煤灰和減水劑用量，減少水泥用量，盡量使用低熱硅酸鹽水泥，從而降低水化熱。選用優(yōu)質(zhì)的粗細骨料，嚴控含泥量；或摻入少量高效緩凝減水劑，延長混凝土凝結時間，改善混凝土的和易性，同時減少了拌和用水量，降低了水灰比，降低了水化熱，起到了明顯降低水化熱的作用，還推遲了澆筑最高溫度峰值出現(xiàn)的時間。
2.控制措施二：控制原材料進入攪拌機時的溫度，水泥在墩身施工前48小時備足，在拌合水中加入冰塊降低水溫；澆筑混凝土前提前2小時對模板澆水降溫。
3.控制措施三：嚴控混凝土的攪拌運輸過程，包括攪拌時間(不少于90s)、水溫、砼出倉溫度及坍落度（14-16cm），砼運輸過程中補充減水劑調(diào)整拌合物質(zhì)量時，攪拌車應進行快速攪拌，攪拌時間不少于120s，運輸過程中嚴禁向拌合物中加水。在混凝土中摻入改性聚酯纖維（每方摻1.2kg），增大混凝土抗拉強度。
4.控制措施四：在墩身內(nèi)部設置冷卻管，間距1m*1m，加強混凝土內(nèi)部的降溫措施，在墩身護面鋼筋至混凝土面之間增設鋼筋網(wǎng)（10cm*10cm網(wǎng)格狀），增大混凝土表面的抗拉強度。
冷卻管采用50鍍鋅管材，經(jīng)過計算單根管水流流量按3m3/h 控制。混凝土內(nèi)部溫度和水溫差控制求在20°C ～25°C 之間。按承臺溫度應力場特征，水平布置散熱管，主墩承臺各設4 層，每層設15 道測溫管，上下層距底面和表面均為1.0m; 采用 25.4 的鋼管，散熱管進出水口均露出承臺側面20cm; 同一層散熱管的進水口連接在一根總管上，各設閥門，用1 臺25-120 型離心式水泵，單根管水流流量按3m3/h控制，出水口匯于同一水箱內(nèi); 為便于控制溫度，分別設3 個6m3的水箱供水。在降熱過程中，若通過測溫管實測混凝土內(nèi)部溫度與測量進水口水溫差別大于25°C 時，應調(diào)整水溫，若水溫比混凝土內(nèi)部溫度低的多，則加熱進水散熱管采用耐腐蝕的鍍鋅鋼管，與鋼筋一起綁扎。在使用前要求通水進行密閉性試驗，防止管道在焊接接頭位置處漏水或阻塞。通水散熱后對散熱管作壓漿處理。
5.控制措施五：高墩施工采用泵車輸送，現(xiàn)場嚴格監(jiān)測砼坍落度、入泵溫度、入模溫度、冷卻管進出水溫和外部環(huán)境溫度。澆注施工時采用連續(xù)整體澆筑，層厚300~500mm，及時清除混凝土表面的泌水?；炷翝仓婕皶r進行二次抹壓處理。
6.控制措施六：拆模時承臺、墩身表面與大氣溫差不大于20℃，對墩身采用整體薄膜包裹養(yǎng)護，靠墩身自身水分蒸發(fā)保證混凝土表面溫度。
三、承臺混凝土裂縫處理技術分析
1、做好科學的設計
?。ㄒ唬┗炷粱A除應滿足承載力和構造要求外，還應增配承受因水泥水化熱引起的溫度應力及控制裂縫開展的鋼筋，以構造鋼筋來控制裂縫，配筋應盡可能采用小直徑、小間距。采用直徑8—14mm的鋼筋和100～150mm間距足比較合理的。配筋率應在O．3％～O．5％之間。
?。ǘ┊敾A設置于巖石地基上時，宜住混凝土墊層上設置滑動層，滑動層構造可采用一氈一油。避免結構突變(或斷裂突變)產(chǎn)生應力集中。轉角和孔洞處增設構造加強筋。
?。ㄈ┐髩K式基礎及其他筏式、箱式基礎不應設置永久變形縫(沉降縫、溫度伸縮縫)及豎向施工縫?？刹捎?ldquo;后澆縫”和“跳倉打”來控制施工期間的較大溫差及收縮應力。以預防為主。在設計階段就應考慮到可能漏水的內(nèi)排水措施，以及施工后的經(jīng)濟可靠的堵漏方法。
2、嚴格控制施工材料和配比質(zhì)量
選材及混凝土配比設計根據(jù)工程結構的不同.我們需要選擇適當?shù)乃嗥贩N、等級和混凝土強度等級，應盡量避免使用高強度的水泥。要注意工程所采用的必須是質(zhì)量合格的砂、石等原材料，并需要按照技術的規(guī)范要求，進行合理地摻合以及添加工程需要的外加劑。需要正確的運用混凝土補償收縮的技術。當建筑采用膨脹劑的時候，要注意考慮到不同的膨脹效果和不同的品種和摻料.要通過具體的試驗來確定材料的最佳配置。
四、承臺混凝土裂縫及加固案例研究
1.案例分析
某鐵路高架橋目前為四線鐵路，其中1 ,2線建設時間較早，4線為新建鐵路?，F(xiàn)場勘察后發(fā)現(xiàn)高架橋承臺開裂是普遍情況，其中個別承臺開裂情況嚴重，且大部分裂縫在承臺表面呈現(xiàn)一定規(guī)律性，即從墩柱底四個角開裂，分別向每側的中線匯合后再延至承臺四邊的中線位置后，順承臺頂向下發(fā)展。
?。?）承臺開裂原因的數(shù)值分析
?。ㄒ唬┏信_有限元模型的建立
承臺有限元模型包含了橋墩、承臺和樁。其中，墩取0. 5 m，樁取1. 6 m，且樁外臂與承臺不相互作用。模型采用solid45實體單元進行離散，共有36560個單元，27836個節(jié)點，將樁底面上所有節(jié)點的6個自由度均進行約束，在承臺頂部施加由上部結構及橋墩傳下來的3533 kN的豎向力。
（二）計算結果分析
承臺頂面主拉應力σ，分布云圖，由該圖可知:沿實際裂縫發(fā)展方向，主拉應力均大于0，且最大主拉應力約為0. 3 MPa，表明承臺頂面裂縫發(fā)展區(qū)域確實有拉應力存在。
通過對上述資料的分析，初步得出病害原因:首先承臺及樁基礎的設計滿足當時規(guī)范的要求，承臺的尺寸及樁基的布置滿足剛性角的需要，開裂的原因主要是由于在當時設計時混凝土強度等級低(本橋承臺為C18混凝土)，承臺配筋量小，致使混凝土承載能力較低，難以應付常年運營荷載作用下的各種外界環(huán)境的侵蝕和破壞。由于承臺內(nèi)鋼筋很少，只在承臺底面及樁頂處各布置了1層鋼筋網(wǎng)，承臺混凝土一旦由于各種原因出現(xiàn)初始裂縫，承臺剛度會隨之降低，又缺乏鋼筋對裂縫的約束，裂縫就會繼續(xù)發(fā)展，寬度也會增加。
2.承臺加固方案
?。ㄒ唬┘庸滩襟E
主要加固步驟:（1）將原有承臺側面挖開;（2）清理承臺側面及頂面，將原頂面后澆的混凝土清掉，并清理裂縫內(nèi)殘渣，按要求進行植筋，打磨表面混凝土。(3)在承臺4個側面立模板，澆筑混凝土，并預留預應力鋼筋張拉孔道;(4)待混凝土達到設計強度后，分次對稱張拉承臺側面后澆混凝土內(nèi)的預應力鋼筋;(5)澆筑承臺頂面混凝土;(6)基坑回填。
?。ǘ┘庸滩牧?br />
主要的加固材料有:（1）c30混凝土;（2）低回縮預應力鋼絞線，鋼絞線的抗拉強度標準值為1860MPa，彈性模量為1. 95 x 105 MPa，符合GB/T5224-2003標準，錨具采用低回縮錨具，回縮值小于1 mm ;( 3 ) HRB335鋼筋。
?。?）預應力的模擬
在空間有限元分析中，預應力的處理方式主要分為兩種:分離式和整體式。分離式就是將混凝土和預應力鋼束的作用分別考慮，以外荷載的形式取代預應力鋼束的作用，如等效荷載法，而整體式則是將混凝土和預應力鋼束劃分為不同的單元一起考慮，通常用link單元來模擬預應力筋，采用降溫法和初應變法來模擬預應力。本文采用等效荷載法來模擬預應力，在加固外包混凝土高度范圍內(nèi)分別施加了3個350 kN的外力來模擬預應力。
（4）計算結果分析
加固后承臺頂面主拉應力分布云圖，由圖2可知:沿實際裂縫發(fā)展方向，主拉應力接近于0MPa，表明以上加固措施改善了承臺的受力狀況，對裂縫的進一步擴展能起到抑制作用。
五、結束語
總之，大體積混凝土施工具有一定的技術難度，對施工過程中各個環(huán)節(jié)要求都比較高，存在隱患的風險性也比較大；在進行施工前必須先根據(jù)當?shù)刈匀粭l件、施工環(huán)境提出可行性施工方案。從而提高混凝土工程施工質(zhì)量。
