浅析某悬索桥锚锭大体积混凝土后期裂纹原因

作者：张毅           

   该悬索桥采用重力式锚锭。其中，北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裂纹，并试图分析大体积混凝土后期裂纹的成因，以为同类工程提供参考。

1  工程简介

  北岸锚碇采用重力式锚碇，锚碇基础采用外径63 m，壁厚1.2 m的圆形地下连续墙加环形钢筋混凝土内衬支护结构。锚碇底板为钢筋混凝土结构，截面为R=26.8 m的圆形，采用C30微膨胀混凝土浇筑。底板到地连墙顶采用混凝土进行填充，填心为顶面R=27.8 m、底面为R= 28.8 m的变截面圆形混凝土结构，填心采用C30混凝土浇筑。底板及填心混凝土结构形式见图1。

  北岸大体积混凝土锚锭的施工过程和温控参数见表1。在整个温控过程中，南岸承台、塔座、锚块和北岸锚碇底板、填心、锚块、散索鞍支墩等各浇筑分块混凝土内部最高温度、里表温差等主要温控指标基本满足规范要求。在整个浇筑养护期间，南岸承台、塔座、锚块和西坝锚碇底板、填心、锚块、散索鞍支墩等各浇筑分块混凝土均未出现温度裂缝。

3后期裂纹现象

  北岸锚碇主体混凝土于2014年9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2个月，陆续发现在北岸散索鞍支墩、压重块表面出现裂缝，并有逐渐扩展趋势。2015年1月经详细排查，总计发现北岸锚碇及塔座66处裂缝，裂缝宽度大部分（47处）在0～0.2 mm左右；12处裂缝宽度在0～0.3mm;7处约0～1mm；裂缝分布示意图见图3。

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。

4.1混凝土龄期差

  北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。

利用midas有限元软件，建立压重块实体模型，计算只考虑混凝土收缩徐变效应的混凝土应力。模型中设定第1层与下部混凝土龄期差30d，第2层与第1层混凝土龄期差15 d，按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62 - 2012)的设定，计算混凝土收缩及徐变。结果见图4。

  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0.9 M Pa。考虑到北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”

  北岸锚碇压重体积较大，总体尺寸为36 m×37 m×7m，约9 000m3。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》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”。

  利用midas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。

   由图5可见，在“冷击效应”作用下，压重块表面普遍存在拉应力，计算最大值约1.8 M Pa。

4.3材料配合比考虑不周的因素

  混凝土在不受外力作用下，由于收缩的自发变形而产生拉应力，也可能造成混凝土开裂产生裂缝。编号15，16，23，24，29，30裂缝均为沿压重块后浇带施工缝分布，宽度也均达到1 mm，应为后浇带膨胀剂掺量不足所致。从减小混凝土材料后期收缩角度，混凝土配合比水泥含量较大，见表3，粉煤灰掺量偏少也是容易引起混凝土后期开裂的一个原因。

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。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。

  北岸锚碇压重块及散索鞍支墩内部钢筋较少，仅有按1.2 m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15 cm布置的直径16 mm钢筋，对混凝土局部抗裂作用不够。

  综合以上分析，结合北岸锚碇裂缝分布特点，笔者认为，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，也是导致北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}昆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。

6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裂纹现象。文中在对开裂现象调查的基础上，结合工程经验对其后期裂纹形成原因进行分析，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。