刘娟LIU Juan
（中铁十四局集团第三工程有限公司，兖州272100）
摘要院本文结合延延高速黄河特大桥主墩薄壁空心墩的冬季施工，通过建立有限元模型对其水化热作用下的温度场和应力场予以分析，研究了薄壁空心墩实心段与空心段交界处表面微小裂缝的成因历程，并依照分析结果提出相应的预防措施，及时运用到其他薄壁空心墩的施工过程中，有效解决了混凝土表面裂缝问题。
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 院薄壁空心墩；水化热；温度应力；裂缝
中图分类号院U445.1 文献标识码院A 文章编号院1006-4311（2015）27-0121-03
0 引言
延延高速黄河特大桥位于陕晋交界，设计为高墩大跨连续刚构桥，桥梁全长1072m，主桥最大墩高141m。主桥上部为（88+4伊160+88）m 混凝土预应力刚构桥，下部为薄壁空心墩。主桥桥墩采用C50 混凝土，设计为单薄壁空心桥墩。其中4 号墩横桥向宽度均为7.0m，顺桥7.5m、壁厚顺桥向为0.9，横桥向为0.7m。顶部和底部设有实心段和渐变段，中间部分为等截面直线段。采用液压爬模施工工艺，节段高度为6m。（见图1）
主桥4 号墩为施工的首节段墩柱，施工期处于冬季，在采取了篷布全覆盖和蒸汽养护措施的前提下，拆模后发现在墩身实心段与空心段连接处的外侧混凝土表面出现微小裂缝。为探究裂缝成因及采取相应措施解决表面问题，建立有限元分析模型，对施工过程中的水化热进行模拟。
1 裂缝成因的初步分析及危害
首节段混凝土表面微小裂缝出现在混凝土浇筑后的养护期内，结构尚未受到外力的作用，因而可以确定裂缝并非外力作用下的荷载裂缝。薄壁空心墩底部实心段尺寸为7m伊7.5m伊2m 为大体积混凝土。初步判断裂缝产生的其中一种原因是施工期处于冬季，混凝土水化热放出大量热量，而外部温度较低，内外温差较大，混凝土随着温度变化而发生膨胀和收缩，受到内外部约束影响，产生较大应力，拉应力超过自身的抗拉强度导致裂缝出现。混凝土结构中微小裂缝的存在会影响钢筋的锈蚀，进而影响混凝土的耐久性和结构的使用寿命。如果裂缝处理不当还会影响结构物外观质量。根据有关规划，桥址处将建设大型水库，承台及墩身大部将没入水面以下，混凝土抗渗及防腐将显得更加的重要，表面裂缝现象需要彻底根除。
2 有限元模拟
2.1 模型建立选用
Midas civil 混凝土水化热分析模块对墩柱水化热进行分析。依照黄河特大桥4#墩首节墩柱施工图纸及冬季施工的相关外界环境的条件，建立有限元模型并设定相关参数。为了提高建模速度、缩短分析时间，而且便于查看内部温度分布以及应力发生情况，取承台及墩柱的1/4 进行建模分析。
2.2 现场施工措施根据现场实际情况，结合空心墩模板结构，墩柱冬季施工措施如下：沿墩柱模板外侧包裹两膜一毡不透气的篷布，上部高出空心墩模板顶1.0m，顶部覆盖一层棉被。空心墩空腔内采用吊架铺盖棉被，至此墩柱内外形成一个密闭的暖棚。墩柱养护期内，暖棚内持续通蒸汽加热。
2.3 计算参数的选择（见表1）
2.4 温度场温度场仿真分析结果如图2-4 所示。
浇筑3d 后温度开始上升，水化热积聚在墩身实心段处，以热对流方式与空气中进行热量交换，以热传导方式与墩身进行传递。施工中采取了较为全面的保温措施，使得对流速度较慢，保温效果良好，热量散失较少。
浇筑7d 后温度缓慢向承台传导，此时墩身温度达到最大值，温度最高点出现在实心段与空心段相连倒角处内侧，最高温度达到74益，高温持续一天后，开始下降。
浇筑28d 后随着水化热的减弱，温度的逐步扩散，温度分布趋于稳定，降温速率逐渐减慢，墩身实心段内部为温度最高处，呈放射状分布。之后降温速率逐渐减慢，至15-20d 后降温平缓，温度趋于恒定状态。
2.5 应力场应力场仿真分析结果如图5-7 所示。混凝土承台内部因水化热的产生相应的温度应力滞后于温度的发展进程，在内部和表面会产生较大的拉应力，易造成混凝土的温度裂缝。
除尖端应力集中现象的存在，实心段与空心段相连处应力较大，龄期1d-3d 的混凝土抗力小于应力，在此情况下混凝土可能产生温度裂缝。
根据应力分布情况可以推测，裂缝可能在空心墩表面靠近中心线位置出现，呈竖直走向，随着龄期的增长混凝土温度应力减弱，抗力增强，表面裂缝停止发展。
2.6 现场实测情况混凝土养护完成后，拆除模板后，经过现场实测，墩身四周在表面中部出现断断续续微小裂缝，从承台底向上延伸，裂缝竖直分布，无贯通。裂缝宽度在0.5mm 左右。与理论分析情况基本一致。
3 裂缝成因分析及建议措施
虽然墩柱冬季施工中虽然采取了蒸汽养护的施工措施，但混凝土表面仍出现表面微小裂缝，为防止后续施工过程中裂缝出现，现探究裂缝成因及防治措施。
3.1 裂缝成因从施工环节分析来看，薄壁空心墩采用C50 的混凝土，泵送施工，施工配合比采用普通硅酸盐52.5 水泥，每方水泥用量468kg，水化热较大。施工时塌落度不稳定，卸料位置较高易造，发现少量混凝土离析；墩身内部混凝土分布不均不够密实，影响混凝土强度增长。
从内部成因分析，施工时处于冬季，外界温度较低，虽采取了温度“外保”措施，但内部温度大幅高于表面，不能及时释放，缺乏“内降”措施；因养护蒸汽量不足，造成表面与环境，内部与表面温差过大；同时混凝土强度增长速度与温度应力增长不匹配，也是裂纹产生的一个原因。
3.2 防裂措施淤
做好温控措施，优选配合比，选用低热水泥，减少水泥用量，按一定比例加入粉煤灰，控制坍落度，使用外加剂。在保证混凝土质量的前提下，尽量降低混凝土的水化热，从根源上减少热量的产生。于做好冬季施工中的保温工作，提高篷布的密封性，提高蒸汽的通入量，保证足够的环境温度，减小温差。盂在墩身表面设置防裂钢筋网，从构造上提升薄壁空心墩的表面抗裂能力。榆加强施工中施工控制，采用串桶施工，严格振捣保证密实，后期养护保证温度湿度满足冬季施工要求。虞在墩柱底节施工中增加循环水管。
4 结束语
混凝土实体裂缝的形成原因很多，本例利用有限元分析工具对空心墩混凝土浇筑完成后内部温度变化规律、应力和强度变化规律进行分析。结合现场施工中发现的问题，对裂缝产生的内因和外因进行探讨。通过施工措施和工艺措施的改进，有效预防了混凝土因温度引起的裂缝。
