大體積混凝土施工技術(shù)及承臺(tái)病害分析加固設(shè)計(jì)
2015-08-04
一、前言
隨著我國(guó)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(dá)50%；但是任何混凝土工程均存在開(kāi)裂的通病，因此，加強(qiáng)對(duì)大體積混凝土施工的控制措施及病害的加固設(shè)計(jì)探討具有重要意義。
二、大體積混凝土溫度施工控制技術(shù)
按照規(guī)范規(guī)定，混凝土結(jié)構(gòu)物實(shí)體最小幾何尺寸不小于1m的大體量混凝土或預(yù)計(jì)會(huì)因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導(dǎo)致有害裂紋產(chǎn)生的混凝土均為大體積混凝土。裂縫嚴(yán)重影響混凝土的施工質(zhì)量和外觀，因此橋梁墩身及承臺(tái)混凝土裂縫的控制是施工難點(diǎn)。
混凝土的水化熱產(chǎn)生較大的溫度變化及收縮作用，是導(dǎo)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(yīng)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(yán)格控制拆模時(shí)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?xún)?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(xì)骨料，嚴(yán)控含泥量；或摻入少量高效緩凝減水劑，延長(zhǎng)混凝土凝結(jié)時(shí)間，改善混凝土的和易性，同時(shí)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(shí)間。
2.控制措施二：控制原材料進(jìn)入攪拌機(jī)時(shí)的溫度，水泥在墩身施工前48小時(shí)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(shí)對(duì)模板澆水降溫。
3.控制措施三：嚴(yán)控混凝土的攪拌運(yùn)輸過(guò)程，包括攪拌時(shí)間(不少于90s)、水溫、砼出倉(cāng)溫度及坍落度（14-16cm），砼運(yùn)輸過(guò)程中補(bǔ)充減水劑調(diào)整拌合物質(zhì)量時(shí)，攪拌車(chē)應(yīng)進(jìn)行快速攪拌，攪拌時(shí)間不少于120s，運(yùn)輸過(guò)程中嚴(yán)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(qiáng)度。
4.控制措施四：在墩身內(nèi)部設(shè)置冷卻管，間距1m*1m，加強(qiáng)混凝土內(nèi)部的降溫措施，在墩身護(hù)面鋼筋至混凝土面之間增設(shè)鋼筋網(wǎng)（10cm*10cm網(wǎng)格狀），增大混凝土表面的抗拉強(qiáng)度。
冷卻管采用50鍍鋅管材，經(jīng)過(guò)計(jì)算單根管水流流量按3m3/h 控制?；炷羶?nèi)部溫度和水溫差控制求在20°C ～25°C 之間。按承臺(tái)溫度應(yīng)力場(chǎng)特征，水平布置散熱管，主墩承臺(tái)各設(shè)4 層，每層設(shè)15 道測(cè)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(jìn)出水口均露出承臺(tái)側(cè)面20cm; 同一層散熱管的進(jìn)水口連接在一根總管上，各設(shè)閥門(mén)，用1 臺(tái)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(shè)3 個(gè)6m3的水箱供水。在降熱過(guò)程中，若通過(guò)測(cè)溫管實(shí)測(cè)混凝土內(nèi)部溫度與測(cè)量進(jìn)水口水溫差別大于25°C 時(shí)，應(yīng)調(diào)整水溫，若水溫比混凝土內(nèi)部溫度低的多，則加熱進(jìn)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(jìn)行密閉性試驗(yàn)，防止管道在焊接接頭位置處漏水或阻塞。通水散熱后對(duì)散熱管作壓漿處理。
5.控制措施五：高墩施工采用泵車(chē)輸送，現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)格監(jiān)測(cè)砼坍落度、入泵溫度、入模溫度、冷卻管進(jìn)出水溫和外部環(huán)境溫度。澆注施工時(shí)采用連續(xù)整體澆筑，層厚300~500mm，及時(shí)清除混凝土表面的泌水。混凝土澆筑面及時(shí)進(jìn)行二次抹壓處理。
6.控制措施六：拆模時(shí)承臺(tái)、墩身表面與大氣溫差不大于20℃，對(duì)墩身采用整體薄膜包裹養(yǎng)護(hù)，靠墩身自身水分蒸發(fā)保證混凝土表面溫度。
三、承臺(tái)混凝土裂縫處理技術(shù)分析
1、做好科學(xué)的設(shè)計(jì)
?。ㄒ唬┗炷粱A(chǔ)除應(yīng)滿(mǎn)足承載力和構(gòu)造要求外，還應(yīng)增配承受因水泥水化熱引起的溫度應(yīng)力及控制裂縫開(kāi)展的鋼筋，以構(gòu)造鋼筋來(lái)控制裂縫，配筋應(yīng)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(yīng)在O．3％～O．5％之間。
（二）當(dāng)基礎(chǔ)設(shè)置于巖石地基上時(shí)，宜住混凝土墊層上設(shè)置滑動(dòng)層，滑動(dòng)層構(gòu)造可采用一氈一油。避免結(jié)構(gòu)突變(或斷裂突變)產(chǎn)生應(yīng)力集中。轉(zhuǎn)角和孔洞處增設(shè)構(gòu)造加強(qiáng)筋。
（三）大塊式基礎(chǔ)及其他筏式、箱式基礎(chǔ)不應(yīng)設(shè)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(cāng)打”來(lái)控制施工期間的較大溫差及收縮應(yīng)力。以預(yù)防為主。在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)考慮到可能漏水的內(nèi)排水措施，以及施工后的經(jīng)濟(jì)可靠的堵漏方法。
2、嚴(yán)格控制施工材料和配比質(zhì)量
選材及混凝土配比設(shè)計(jì)根據(jù)工程結(jié)構(gòu)的不同.我們需要選擇適當(dāng)?shù)乃嗥贩N、等級(jí)和混凝土強(qiáng)度等級(jí)，應(yīng)盡量避免使用高強(qiáng)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(shù)的規(guī)范要求，進(jìn)行合理地?fù)胶弦约疤砑庸こ绦枰耐饧觿?。需要正確的運(yùn)用混凝土補(bǔ)償收縮的技術(shù)。當(dāng)建筑采用膨脹劑的時(shí)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(guò)具體的試驗(yàn)來(lái)確定材料的最佳配置。
四、承臺(tái)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(xiàn)鐵路，其中1 ,2線(xiàn)建設(shè)時(shí)間較早，4線(xiàn)為新建鐵路。現(xiàn)場(chǎng)勘察后發(fā)現(xiàn)高架橋承臺(tái)開(kāi)裂是普遍情況，其中個(gè)別承臺(tái)開(kāi)裂情況嚴(yán)重，且大部分裂縫在承臺(tái)表面呈現(xiàn)一定規(guī)律性，即從墩柱底四個(gè)角開(kāi)裂，分別向每側(cè)的中線(xiàn)匯合后再延至承臺(tái)四邊的中線(xiàn)位置后，順承臺(tái)頂向下發(fā)展。
?。?）承臺(tái)開(kāi)裂原因的數(shù)值分析
?。ㄒ唬┏信_(tái)有限元模型的建立
承臺(tái)有限元模型包含了橋墩、承臺(tái)和樁。其中，墩取0. 5 m，樁取1. 6 m，且樁外臂與承臺(tái)不相互作用。模型采用solid45實(shí)體單元進(jìn)行離散，共有36560個(gè)單元，27836個(gè)節(jié)點(diǎn)，將樁底面上所有節(jié)點(diǎn)的6個(gè)自由度均進(jìn)行約束，在承臺(tái)頂部施加由上部結(jié)構(gòu)及橋墩傳下來(lái)的3533 kN的豎向力。
?。ǘ┯?jì)算結(jié)果分析
承臺(tái)頂面主拉應(yīng)力σ，分布云圖，由該圖可知:沿實(shí)際裂縫發(fā)展方向，主拉應(yīng)力均大于0，且最大主拉應(yīng)力約為0. 3 MPa，表明承臺(tái)頂面裂縫發(fā)展區(qū)域確實(shí)有拉應(yīng)力存在。
通過(guò)對(duì)上述資料的分析，初步得出病害原因:首先承臺(tái)及樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足當(dāng)時(shí)規(guī)范的要求，承臺(tái)的尺寸及樁基的布置滿(mǎn)足剛性角的需要，開(kāi)裂的原因主要是由于在當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)混凝土強(qiáng)度等級(jí)低(本橋承臺(tái)為C18混凝土)，承臺(tái)配筋量小，致使混凝土承載能力較低，難以應(yīng)付常年運(yùn)營(yíng)荷載作用下的各種外界環(huán)境的侵蝕和破壞。由于承臺(tái)內(nèi)鋼筋很少，只在承臺(tái)底面及樁頂處各布置了1層鋼筋網(wǎng)，承臺(tái)混凝土一旦由于各種原因出現(xiàn)初始裂縫，承臺(tái)剛度會(huì)隨之降低，又缺乏鋼筋對(duì)裂縫的約束，裂縫就會(huì)繼續(xù)發(fā)展，寬度也會(huì)增加。
2.承臺(tái)加固方案
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主要加固步驟:（1）將原有承臺(tái)側(cè)面挖開(kāi);（2）清理承臺(tái)側(cè)面及頂面，將原頂面后澆的混凝土清掉，并清理裂縫內(nèi)殘?jiān)?，按要求進(jìn)行植筋，打磨表面混凝土。(3)在承臺(tái)4個(gè)側(cè)面立模板，澆筑混凝土，并預(yù)留預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉孔道;(4)待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，分次對(duì)稱(chēng)張拉承臺(tái)側(cè)面后澆混凝土內(nèi)的預(yù)應(yīng)力鋼筋;(5)澆筑承臺(tái)頂面混凝土;(6)基坑回填。
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主要的加固材料有:（1）c30混凝土;（2）低回縮預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)，鋼絞線(xiàn)的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1860MPa，彈性模量為1. 95 x 105 MPa，符合GB/T5224-2003標(biāo)準(zhǔn)，錨具采用低回縮錨具，回縮值小于1 mm ;( 3 ) HRB335鋼筋。
?。?）預(yù)應(yīng)力的模擬
在空間有限元分析中，預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力鋼束的作用分別考慮，以外荷載的形式取代預(yù)應(yīng)力鋼束的作用，如等效荷載法，而整體式則是將混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼束劃分為不同的單元一起考慮，通常用link單元來(lái)模擬預(yù)應(yīng)力筋，采用降溫法和初應(yīng)變法來(lái)模擬預(yù)應(yīng)力。本文采用等效荷載法來(lái)模擬預(yù)應(yīng)力，在加固外包混凝土高度范圍內(nèi)分別施加了3個(gè)350 kN的外力來(lái)模擬預(yù)應(yīng)力。
?。?）計(jì)算結(jié)果分析
加固后承臺(tái)頂面主拉應(yīng)力分布云圖，由圖2可知:沿實(shí)際裂縫發(fā)展方向，主拉應(yīng)力接近于0MPa，表明以上加固措施改善了承臺(tái)的受力狀況，對(duì)裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展能起到抑制作用。
五、結(jié)束語(yǔ)
總之，大體積混凝土施工具有一定的技術(shù)難度，對(duì)施工過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)要求都比較高，存在隱患的風(fēng)險(xiǎn)性也比較大；在進(jìn)行施工前必須先根據(jù)當(dāng)?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。
