大体积混凝土施工技术及承台病害分析加固设计
2015-08-04
一、前言
随着我国的高速铁路的不断发展，桥梁工程在近几年修建铁路中比例高达50%；但是任何混凝土工程均存在开裂的通病，因此，加强对大体积混凝土施工的控制措施及病害的加固设计探讨具有重要意义。
二、大体积混凝土温度施工控制技术
按照规范规定，混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1m的大体量混凝土或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂纹产生的混凝土均为大体积混凝土。裂缝严重影响混凝土的施工质量和外观，因此桥梁墩身及承台混凝土裂缝的控制是施工难点。
混凝土的水化热产生较大的温度变化及收缩作用，是导致大体积混凝土出现裂缝的主要原因，合理的控制温差变化是保证不产生裂缝的根本。一般规定将非均匀温差应控制在25°C 内。施工中主要从降低水泥水化热、降低混凝土入模温度、降低混凝土内部温度通水散热保持混凝土表面温度严格控制拆模时间等方面做好混凝土温度控制工作，尽量降低混凝土内部温度的升降速率，确保内外温差控制在25°C 以内。
控制措施一：优化混凝土配合比，增加粉煤灰和减水剂用量，减少水泥用量，尽量使用低热硅酸盐水泥，从而降低水化热。选用优质的粗细骨料，严控含泥量；或掺入少量高效缓凝减水剂，延长混凝土凝结时间，改善混凝土的和易性，同时减少了拌和用水量，降低了水灰比，降低了水化热，起到了明显降低水化热的作用，还推迟了浇筑最高温度峰值出现的时间。
2.控制措施二：控制原材料进入搅拌机时的温度，水泥在墩身施工前48小时备足，在拌合水中加入冰块降低水温；浇筑混凝土前提前2小时对模板浇水降温。
3.控制措施三：严控混凝土的搅拌运输过程，包括搅拌时间(不少于90s)、水温、砼出仓温度及坍落度（14-16cm），砼运输过程中补充减水剂调整拌合物质量时，搅拌车应进行快速搅拌，搅拌时间不少于120s，运输过程中严禁向拌合物中加水。在混凝土中掺入改性聚酯纤维（每方掺1.2kg），增大混凝土抗拉强度。
4.控制措施四：在墩身内部设置冷却管，间距1m*1m，加强混凝土内部的降温措施，在墩身护面钢筋至混凝土面之间增设钢筋网（10cm*10cm网格状），增大混凝土表面的抗拉强度。
冷却管采用50镀锌管材，经过计算单根管水流流量按3m3/h 控制。混凝土内部温度和水温差控制求在20°C ～25°C 之间。按承台温度应力场特征，水平布置散热管，主墩承台各设4 层，每层设15 道测温管，上下层距底面和表面均为1.0m; 采用 25.4 的钢管，散热管进出水口均露出承台侧面20cm; 同一层散热管的进水口连接在一根总管上，各设阀门，用1 台25-120 型离心式水泵，单根管水流流量按3m3/h控制，出水口汇于同一水箱内; 为便于控制温度，分别设3 个6m3的水箱供水。在降热过程中，若通过测温管实测混凝土内部温度与测量进水口水温差别大于25°C 时，应调整水温，若水温比混凝土内部温度低的多，则加热进水散热管采用耐腐蚀的镀锌钢管，与钢筋一起绑扎。在使用前要求通水进行密闭性试验，防止管道在焊接接头位置处漏水或阻塞。通水散热后对散热管作压浆处理。
5.控制措施五：高墩施工采用泵车输送，现场严格监测砼坍落度、入泵温度、入模温度、冷却管进出水温和外部环境温度。浇注施工时采用连续整体浇筑，层厚300~500mm，及时清除混凝土表面的泌水。混凝土浇筑面及时进行二次抹压处理。
6.控制措施六：拆模时承台、墩身表面与大气温差不大于20℃，对墩身采用整体薄膜包裹养护，靠墩身自身水分蒸发保证混凝土表面温度。
三、承台混凝土裂缝处理技术分析
1、做好科学的设计
（一）混凝土基础除应满足承载力和构造要求外，还应增配承受因水泥水化热引起的温度应力及控制裂缝开展的钢筋，以构造钢筋来控制裂缝，配筋应尽可能采用小直径、小间距。采用直径8—14mm的钢筋和100～150mm间距足比较合理的。配筋率应在O．3％～O．5％之间。
（二）当基础设置于岩石地基上时，宜住混凝土垫层上设置滑动层，滑动层构造可采用一毡一油。避免结构突变(或断裂突变)产生应力集中。转角和孔洞处增设构造加强筋。
（三）大块式基础及其他筏式、箱式基础不应设置永久变形缝(沉降缝、温度伸缩缝)及竖向施工缝。可采用“后浇缝”和“跳仓打”来控制施工期间的较大温差及收缩应力。以预防为主。在设计阶段就应考虑到可能漏水的内排水措施，以及施工后的经济可靠的堵漏方法。
2、严格控制施工材料和配比质量
选材及混凝土配比设计根据工程结构的不同.我们需要选择适当的水泥品种、等级和混凝土强度等级，应尽量避免使用高强度的水泥。要注意工程所采用的必须是质量合格的砂、石等原材料，并需要按照技术的规范要求，进行合理地掺合以及添加工程需要的外加剂。需要正确的运用混凝土补偿收缩的技术。当建筑采用膨胀剂的时候，要注意考虑到不同的膨胀效果和不同的品种和掺料.要通过具体的试验来确定材料的最佳配置。
四、承台混凝土裂缝及加固案例研究
1.案例分析
某铁路高架桥目前为四线铁路，其中1 ,2线建设时间较早，4线为新建铁路。现场勘察后发现高架桥承台开裂是普遍情况，其中个别承台开裂情况严重，且大部分裂缝在承台表面呈现一定规律性，即从墩柱底四个角开裂，分别向每侧的中线汇合后再延至承台四边的中线位置后，顺承台顶向下发展。
（1）承台开裂原因的数值分析
（一）承台有限元模型的建立
承台有限元模型包含了桥墩、承台和桩。其中，墩取0. 5 m，桩取1. 6 m，且桩外臂与承台不相互作用。模型采用solid45实体单元进行离散，共有36560个单元，27836个节点，将桩底面上所有节点的6个自由度均进行约束，在承台顶部施加由上部结构及桥墩传下来的3533 kN的竖向力。
（二）计算结果分析
承台顶面主拉应力σ，分布云图，由该图可知:沿实际裂缝发展方向，主拉应力均大于0，且最大主拉应力约为0. 3 MPa，表明承台顶面裂缝发展区域确实有拉应力存在。
通过对上述资料的分析，初步得出病害原因:首先承台及桩基础的设计满足当时规范的要求，承台的尺寸及桩基的布置满足刚性角的需要，开裂的原因主要是由于在当时设计时混凝土强度等级低(本桥承台为C18混凝土)，承台配筋量小，致使混凝土承载能力较低，难以应付常年运营荷载作用下的各种外界环境的侵蚀和破坏。由于承台内钢筋很少，只在承台底面及桩顶处各布置了1层钢筋网，承台混凝土一旦由于各种原因出现初始裂缝，承台刚度会随之降低，又缺乏钢筋对裂缝的约束，裂缝就会继续发展，宽度也会增加。
2.承台加固方案
（一）加固步骤
主要加固步骤:（1）将原有承台侧面挖开;（2）清理承台侧面及顶面，将原顶面后浇的混凝土清掉，并清理裂缝内残渣，按要求进行植筋，打磨表面混凝土。(3)在承台4个侧面立模板，浇筑混凝土，并预留预应力钢筋张拉孔道;(4)待混凝土达到设计强度后，分次对称张拉承台侧面后浇混凝土内的预应力钢筋;(5)浇筑承台顶面混凝土;(6)基坑回填。
（二）加固材料
主要的加固材料有:（1）c30混凝土;（2）低回缩预应力钢绞线，钢绞线的抗拉强度标准值为1860MPa，弹性模量为1. 95 x 105 MPa，符合GB/T5224-2003标准，锚具采用低回缩锚具，回缩值小于1 mm ;( 3 ) HRB335钢筋。
（3）预应力的模拟
在空间有限元分析中，预应力的处理方式主要分为两种:分离式和整体式。分离式就是将混凝土和预应力钢束的作用分别考虑，以外荷载的形式取代预应力钢束的作用，如等效荷载法，而整体式则是将混凝土和预应力钢束划分为不同的单元一起考虑，通常用link单元来模拟预应力筋，采用降温法和初应变法来模拟预应力。本文采用等效荷载法来模拟预应力，在加固外包混凝土高度范围内分别施加了3个350 kN的外力来模拟预应力。
（4）计算结果分析
加固后承台顶面主拉应力分布云图，由图2可知:沿实际裂缝发展方向，主拉应力接近于0MPa，表明以上加固措施改善了承台的受力状况，对裂缝的进一步扩展能起到抑制作用。
五、结束语
总之，大体积混凝土施工具有一定的技术难度，对施工过程中各个环节要求都比较高，存在隐患的风险性也比较大；在进行施工前必须先根据当地自然条件、施工环境提出可行性施工方案。从而提高混凝土工程施工质量。
