某岩基地区拱桥超长扩基开裂分析及对策研究

 贾文杰

 (上海兰德公路工程咨询设计有限公司，上海200065)

摘要：某岩基地区拱桥超长扩大基础混凝土浇筑完成后，较短时间内出现多条贯通裂缝。经有限元分析和实践讨论，得出开裂原因，提出处理对策，对后续基础及拱座施工提出改进意见，成效良好。

关键词：超长扩基；开裂分析；对策研究

中图分类号：U448.220.315文章编号：1004-4655( 2016) 02-0081-03

 某桥位于城市快速通道上，主桥为三跨上承式空腹拱桥，跨径布置为(52+75+50)m。桥面宽度为36 m，主桥与河道斜交角为13 0。桥梁处于缓和曲线和圆曲线上，缓和曲线长120 m，圆曲线半径283.051 m。采用曲桥正做，两幅桥拱肋分离，拱座及基础为整体结构。

 装饰柱落在整体基础上，桥梁扩基具有大体积混凝土等特点，如图1所示。

1扩基裂缝情况

 该桥前期施T中跨拱的2个拱脚扩大基础( P7和P8)出现如图2所示裂缝。

1.1 P7基础裂缝描述

 该基础混凝土浇筑时间为2014年6月5日23点45分至2014年6月7日03点30分。

 6月12日下午产生2条裂缝，分别为③号和⑤号裂缝，裂缝顺桥向长1.0 m，裂入扩大基础深度0.5 m，位于扩大基础边侧。6月13日③号和⑤号裂缝已经贯穿扩大基础。随后逐渐发展成5条，裂缝逐渐变宽。其中①号裂缝顺桥向长1.25 m，裂入扩大基础深度0.2 m，裂缝宽度0.5 mm；②号裂缝顺桥向长2.0 m，裂人扩大基础深度1.0 m，裂缝宽度0.5 mm；③号裂缝贯通整个扩大基础，裂缝宽度0.5~2.0mm；④号裂缝贯通整个扩大基础，裂缝宽度0.5~1.0 mm；⑤号裂缝贯通整个扩大基础，裂缝宽度0.5~2.0 mm（见图3）。

1.2 P8基础裂缝描述

 该基础混凝土浇筑时间为2014年6月16日1 1点30分至2014年6月17日19点40分。

 6月22日产生1条裂缝，为①号裂缝，顺桥向长2.0 m，裂入扩大基础深度0.8 m，位于扩大基础边侧。6月23日①号和⑤号裂缝贯穿扩大基础，随后几天出现4条裂缝，裂缝宽度最宽达1.5 mm。其中①号裂缝贯通整个扩大基础，裂缝宽度0.5~1.5 mm；②号裂缝贯通整个扩大基础，裂缝宽度0.5~1.0 mm；⑧裂缝顺桥向长5.0 m，裂人扩大基础深度0.2 m，裂缝宽度0.5 mm；④号裂缝贯通整个扩大基础，裂缝宽度0.5~1.0 mm；⑤号裂缝贯通整个扩大基础，裂缝宽度0.5~1.0 mm（见图4）。

2开裂原因分析

2.1对超长扩基的理解

 建筑规范中规定，当构件超过一定长度时，需要设置伸缩缝。超长结构区别于其他结构设计的关键之处在于对温度、收缩等荷载效应的考虑。连续浇筑的超长混凝土构件自身的收缩和水化作用引起混凝土构件体积的不均匀变化，使混凝土内部产生较大的应力而开裂。外界环境温度变化导致结构构件热胀冷缩，引起整体结构构件之间不均匀变形，对于超静定的混凝土结构可能引发较大的约束应力，超长扩基亦是如此。

2.2温度场建立

 混凝土浇筑后，在水化热作用下，具有内部热源强度、瞬态温度场的连续均匀介质。其瞬态温度场的计算，实质上是3D非稳态导热方程在特定边界条件和初始条件下的求解。为简化问题，假设混凝土连续、均匀、各向同性，其浇筑后，内部热源的瞬态温度场导热方程见式(1)。

式中：T为混凝土的瞬间温度；t为混凝土的龄期；a为导热系数；θ为混凝土的绝热升温。根据已知的初始条件和边界条件，求解热传导方程，就可得到混凝土的温度场。

 热传导微分方程建立温度与时间、空间的关系。为了求出温度场的定解函数T，设立初始条件和边界条件。初始条件和边界条件统称为边界条件。初始条件为初始瞬时混凝土结构内部温度的分布规律。多数情况下，初始瞬时结构内部的温度场可以认为是定值。边界条件为混凝土表面与周围介质之间的热传导规律。温度场计算的边界条件可分为如下4类。

 1)混凝土表面温度T是时间的已知函数，在实际工程中是混凝土表面与流水直接接触情况。

 2)混凝土表面的热流量Q是时间的已知函数。

 3)混凝土表面存在对流，通常为混凝土与空气接触，按对流边界条件表示，即混凝土表面热流量与其表面温度T和与空气温度Ta之差成正比。

 4)2种不同材料的固体相互接触，在热传导过程中，如果接触良好，则接触面上的温度和热流量是连续的。

 拱座基础底部坐落在岩基上，侧面支模。基底采用第四类边界条件，其余面采用第三类边界条件。

2.3有限元分析

 混凝土浇筑过程中，由于水化反应产生热量，大体积混凝土的浇筑需要考虑浇筑水化热产生的温度应力。这个问题需要用热一结构耦合分析解决，耦合分析包括直接法和间接法。当进行直接耦合是多个物理场的自由度进行计算，间接耦合分析是按照特定的顺序求解单个物理场，前一个物理场的分析结果作为后续分析的边界条件施加。采用间接耦合法，先建立热模型，由温度场求解得到的节点温度，施加于结构模型中作为体荷载。采用ANSYS软件的热分析(Thermal)模块和结构分析(Structural)模块，分析过程如下。

 1)创建有限元热分析模型进行瞬态热分析求解，得出节点温度。

 2)删掉全部热荷载，删掉藕合序列及约束方程，将热分析模型转换为结构分析模型。

 3)将热单元转变为结构单元。

 4)施加热分析中的温度体荷载，选择温度体荷载的所有节点并写入节点文件。

 5)施加条件并求解：即赋予初始条件和边界条件、定义分析类别、确定分析选项、施加结构荷载及其他荷载后，进行求解。

 6)后处理，查看基础温度场和温度应力等。

 由于热分析模型和结构分析模型是建立在不同的物理环境中，需要选择与之能相互转换的单元类型。本文选用Solid70单元用于模拟混凝土的热分析，Solid45单元用于大体积混凝土的温度应力分析，Solid70单元是一种具有导热能力的单元，它可以被Solid45单元等效代替，两单元功能特点见表1。热分析采用的参数见表2。所建立热分析模型如图5所示。

 图6显示浇筑完成后，基础的温度场云图。温度梯度由内而外逐步减小。图7为热分析模型的节点温度作为体荷载施加于结构分析模型中，得到基础温度应力云图。从图中可以看出，在基础长度47 m范围内，约1/3长度处，会出现一处应力较大的横向条带，且最大应力亦出现在该区域内，与现场实际情况较为吻合。

 综合分析，大体积混凝土在硬化过程中，由于水化热温度先升后降，体积也随之发生变化。但由于在混凝土体积变化过程中受到地基、桩、基体沉积物和自重等外部约束作用，或受到短时的天气急剧变化如骤然降温、太阳辐射使混凝土断面内外温差形成内部约束，变为温度应力。约束系数和温度下降幅度决定由外部约束引起的混凝土温度应力大小，过大的温度应力会引起混凝土开裂。

3裂缝处理对策

3.1对已发生裂缝的处理

 针对宽度0.2~0.3 mm的裂缝，根据相关规范，进行缝内压力注浆、缝口封闭处理。详细制订裂缝修补施工工艺，包括完善凿槽、埋管、压浆等工序的相关裂缝修补设计图，使方案更具操作性。裂缝修补的材料及检验严格按照JTG/T J22-2008《公路桥梁加固设计规范》、GB 50367-2013《混凝土结构加同设计规范》和GB 50550-2010《建筑结构加固工程施工质量验收规范》等相关规范执行。此外，裂缝修补需经过监理验收合格后，方可进行下一道工序的施工。

 针对宽度> 0.3 mm的裂缝，开裂处凿开，检查确认后浇筑施工。

 经过上述处理后，在整个扩大基础上增设1m厚实心段。浇筑加厚实心段前，按照施工规范的要求对原扩大基础顶面进行凿毛。在加厚实心段与原有扩大基础之间植筋，植筋执行现行规范。加厚实心段施工时应采取必要的措施避免由于水化热、收缩等引起开裂，并注意混凝土养护等工作。

3.2设计与施工改进对策

 原设计采用直径12 mm HRB400表层防裂钢筋，同时要求扩大基础浇筑过程中设置冷却管。而实际施工中，未设置冷却装置。考虑到该项目施工周期短，．工期紧，以及施工现场已浇筑混凝土基础出现裂缝的情况，要求后续施工扩大基础、拱座的超长扩基长度方向表层防裂钢筋直径由原来12 mm改为20 mm，以增强超长扩基的抗裂性，减小竖向收缩裂缝的发生。

 在施工措施方面，后续扩大基础及拱座应采用分段浇筑，后浇带应避开已有裂缝位置，扩大基础和拱座的后浇带须错位，同时后浇带的位置须避开立柱位置。拱座在两幅桥之间分段，后浇带长度应满足钢筋搭接长度的要求。施工时考虑采取必要措施避免混凝土开裂问题，如控制水灰比、控制内外温差、埋设冷却水管及做好混凝土养护工作等。

 通过采取上述措施后，后续扩基及拱座的施工进展非常顺利，未出现类似裂缝。

4结语

 温度场的中心区域温度随着混凝土龄期的延长，其温度逐渐降低，中心温度位置向下偏移，热量向地基传递。由于受到岩基顶面的约束，会对超长扩基底部产生约束应力，导致混凝土开裂。这类裂缝具有裂缝宽、上下贯通等特点，对结构的承载力、耐久性都会产生很大的影响。

 在设计及施工过程中，为避免出现这种裂缝，可采取分层、分段浇筑，也可以采取冷却管措施，降低水化热影响。此外，通过加强超长扩基长度方向的普通钢筋，亦可有效避免混凝土在结硬过程中出现过大的收缩裂缝。