馬曉可， 林麗軍， 張志國

(1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043;2.中建交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100071)

在既有線橋梁加固工程中，經(jīng)常采用混凝土加大截面的方法，這種方法具有很強(qiáng)的可塑性，而且成本較低，施工便捷，尤其在橋墩剛度不足時(shí)，具有明顯的優(yōu)勢[1-2]。但是新澆筑混凝土和原有混凝土如何可靠黏結(jié)、共同傳力是普遍關(guān)心的問題。另外，近年來在該類加固工程中，還常伴有混凝土開裂問題，不僅帶來處理成本，也一定程度地影響了混凝土的整體性，這一問題值得進(jìn)行深入研究，厘清裂縫產(chǎn)生的機(jī)理并采取針對(duì)性的解決措施，保證工程質(zhì)量。以大萊龍鐵路橋梁墩身擴(kuò)大截面加固工程為背景，對(duì)墩身加固混凝土開裂情況進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查，并進(jìn)行原因分析，以促進(jìn)該類問題的根治。

1 工程概況及混凝土開裂情況

1.1 工程概況

既有大萊龍鐵路建成于2005年，是一條地方專用鐵路，主要以貨運(yùn)為主，單線鐵路?？缭?22省道處海港路中橋，采用12 m+2×20 m+12 m四跨簡支T梁結(jié)構(gòu)，橋墩為單柱式輕型橋墩，其中，1#和2#橋墩高度5 m，3#橋墩高度5.5 m。因列車速度和載重等級(jí)提高，為提高其橫向剛度，對(duì)該橋橋墩進(jìn)行加固。同時(shí)對(duì)原橋承臺(tái)進(jìn)行擴(kuò)大，并增設(shè)樁基礎(chǔ)，每個(gè)橋墩橫向增加2根樁基，承臺(tái)擴(kuò)大方式為橫橋向加長、高度與原承臺(tái)持平。

該橋墩柱采用擴(kuò)大截面法進(jìn)行加固(如圖1、圖2所示)，原墩柱為圓形，直徑D=1.8 m，擴(kuò)大加固成圓端形，圖1為橋墩加固前后平面圖，圖1中加固后參數(shù)a=95 cm，b=130 cm，最薄處加固厚度30 cm，最厚處加固厚度為95 cm，加固混凝土采用C45級(jí)，加固墩高比原墩高矮1 m。

圖1 墩身加固平面布置圖(單位：cm)

圖2 2#墩加固施工現(xiàn)場圖

墩身加固混凝土采用混凝土地泵供應(yīng)，墩身澆筑按每節(jié)1 m高進(jìn)行。澆筑時(shí)混凝土各分段高度應(yīng)澆筑到距模板上口距離10 mm，并采用插入式搗固器進(jìn)行振搗。側(cè)模處已澆筑混凝土強(qiáng)度達(dá)到2.5 MPa以上，拆除拉桿及模板，并采用纏裹塑料薄膜灑水養(yǎng)生，不少于14 d。

1.2 加固混凝土開裂情況

橋墩加固施工完成后，墩身擴(kuò)大截面新澆筑混凝土普遍出現(xiàn)裂縫，且各橋墩裂縫程度相近，裂縫分布表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，在橋墩墩身加固混凝土靠近頂端向下還普遍有長短不一的多條豎向裂縫，多分布于加固截面厚度較薄處(見圖3)，比如典型的2#橋墩共有7條豎向裂縫，裂縫寬度介于0.15～0.25 mm之間。由于加固混凝土裂縫普遍出現(xiàn)，且呈規(guī)律性，因此其必然有共性的緣由，值得進(jìn)行討論，希望能在今后類似加固工程中通過技術(shù)措施規(guī)避該風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 典型豎向裂縫

2 加固混凝土水化熱溫升及溫度應(yīng)力

新澆筑混凝土硬化過程中，因水化熱效應(yīng)產(chǎn)生大量熱量而無法快速散發(fā)出去，故會(huì)出現(xiàn)混凝土芯部溫度快速上升，而外表面和內(nèi)表面受環(huán)境或界面影響，溫度會(huì)相對(duì)較低，由此造成混凝土芯部與表層、以及新舊混凝土接觸面出現(xiàn)溫度差。當(dāng)溫度差值較大時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，混凝土受鋼筋、模板、界面等的約束作用，當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度值時(shí)，就會(huì)造成混凝土產(chǎn)生溫度裂縫。根據(jù)文獻(xiàn)[3]，此類裂縫多為豎向，一般會(huì)產(chǎn)生一條或多條，寬度較寬，可達(dá)0.2 mm以上。根據(jù)本橋墩加固混凝土的裂縫分布特征，綜合上述分析，可以基本確定該工程混凝土裂縫應(yīng)與水化熱存在一定關(guān)聯(lián)，為詳細(xì)分析水化熱升溫及其影響，下面主要采用仿真模擬法進(jìn)行建模計(jì)算分析。

2.1 加固混凝土材料參數(shù)取值

根據(jù)配合比設(shè)計(jì)，該加固橋墩所使用C45混凝土采用摻加粉煤灰以減少水泥用量，1 m3混凝土包含水泥340 kg、粉煤灰150 kg、細(xì)骨料728 kg、粗骨料1 123 kg、外加劑12.35 kg、水162 kg，水膠比為0.33。

(1)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)以及比熱容參考文獻(xiàn)[4]～文獻(xiàn)[7]按質(zhì)量分?jǐn)?shù)加權(quán)方法進(jìn)行估算，具體如下：

①導(dǎo)熱系數(shù)λ

λ=p1λ1+p2λ2+p3λ3+P4λ4+P5λ5

(1)

式中,p1～p5分別為單位體積混凝土中水泥、粉煤灰、細(xì)骨料、粗骨料、水所占比例；λ1～λ5分別為水泥、粉煤灰、細(xì)骨料、粗骨料、水的導(dǎo)熱系數(shù)。

②比熱容c

c=p1c1+p2c2+p3c3+p4c4+p5c5

(2)

式中,c1～c5分別為水泥、粉煤灰、細(xì)骨料、粗骨料、水的比熱容。

(2)混凝土最大絕熱溫升[8]

(3)

式中,mc為1 m3混凝土中水泥用量；k為摻合料折減系數(shù)，粉煤灰取0.25～0.30；f為1 m3混凝土中粉煤灰摻量;Q為1 kg水泥水化熱量；c為混凝土比熱容；ρ為混凝土密度。

(3)混凝土與空氣接觸面采用第三類邊界條件[4,9]進(jìn)行計(jì)算，對(duì)流系數(shù)

(4)

式中,va為風(fēng)速。

(4)結(jié)合配合比設(shè)計(jì)以及式(1)～式(4)進(jìn)行計(jì)算，C45混凝土材料特性匯總?cè)绫?所示。

表1 C45混凝土材料特性

2.2 加固混凝土水化熱計(jì)算模型

為了更準(zhǔn)確地了解混凝土因水化熱產(chǎn)生的內(nèi)部溫度和應(yīng)力分布情況，建立了2#橋墩加固混凝土水化熱分析有限元模型，模型尺寸按照加固設(shè)計(jì)圖的實(shí)際尺寸進(jìn)行建立，混凝土采用空間六面體實(shí)體單元模擬(8節(jié)點(diǎn))，共劃分38 048個(gè)節(jié)點(diǎn)，60 423個(gè)單元，劃分后計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 2#墩水化熱分析模型

模型按照C45素混凝土進(jìn)行建模，主要參數(shù)如前述，由于主要進(jìn)行加固墩身部分水化熱分析，為簡化分析，建模時(shí)未考慮鋼筋效應(yīng)，以及未考慮墩帽和樁基礎(chǔ)這些沒有直接影響關(guān)系的結(jié)構(gòu)部分，承臺(tái)底面按固結(jié)邊界條件考慮。根據(jù)混凝土澆筑季節(jié)及測試結(jié)果，承臺(tái)四周及底面按恒定溫度17 ℃取值，加固混凝土頂面和外圈按對(duì)流邊界設(shè)置，環(huán)境溫度取施工現(xiàn)場實(shí)際溫度(17±6)℃，加固混凝土按照實(shí)際澆筑順序考慮，分析持續(xù)時(shí)間為720 h。

2.3 有限元模擬結(jié)果分析

2.3.1 水化熱溫度效應(yīng)分析

水化熱主要產(chǎn)生在混凝土澆筑后水化作用階段，隨著時(shí)間的推移，水化熱的影響就會(huì)逐漸減弱，最終回降到環(huán)境溫度狀態(tài)。根據(jù)有限元分析結(jié)果，在橋墩加固混凝土澆筑后40 h左右，加固區(qū)混凝土內(nèi)部溫度達(dá)到最高，此時(shí)墩身加固混凝土溫度分布見圖5。

圖5 2#墩混凝土澆筑40 h時(shí)整體溫度分布(單位：℃)

從圖5可以看出，墩身加固區(qū)混凝土內(nèi)部溫度沿豎向分布較為均勻，表現(xiàn)為圓端形截面較厚部分內(nèi)部溫度較高，較薄部分溫度較低，在配合比和施工條件一定時(shí)，水化熱效應(yīng)主要與截面尺寸有關(guān)。為進(jìn)一步考查芯部混凝土溫度變化，選取距承臺(tái)高度2 m處加固區(qū)較厚區(qū)域芯部到外表面4個(gè)點(diǎn)位，以及較薄區(qū)域芯部到外表面3個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行趨勢分析，計(jì)算結(jié)果如圖6所示，圖6中編號(hào)數(shù)字1是代表芯部混凝土，依次到外表面。

圖6 2#墩加固混凝土溫度變化規(guī)律

根據(jù)圖6可知，混凝土表面溫度波動(dòng)較大，主要受環(huán)境溫度影響。在混凝土澆筑后40 h左右，最厚區(qū)域芯部溫升值達(dá)到最高，之后會(huì)迅速降低，隨著時(shí)間發(fā)展，溫度降低速度變緩，在600 h左右降低到環(huán)境溫度。從混凝土芯部到表面，越靠近外表面溫升值越低，形成了明顯的溫度梯度效應(yīng)。其中，最厚區(qū)域芯部最高溫度達(dá)到57.6 ℃左右，內(nèi)外最大溫差達(dá)到30 ℃，超出規(guī)范要求的限值25 ℃[10]。較薄混凝土區(qū)域芯部升溫最高溫度僅為36.2 ℃，內(nèi)外溫差在150 h前始終保持在9 ℃左右，之后慢慢恢復(fù)到環(huán)境溫度，未超過規(guī)范溫度限值要求。

2.3.2 水化熱溫度應(yīng)力分析

由前述分析可知，加固混凝土澆筑后40 h左右達(dá)到溫度峰值，現(xiàn)對(duì)混凝土澆筑后40 h的應(yīng)力云圖進(jìn)行分析，如圖7所示，在混凝土澆筑后短期時(shí)間內(nèi)，出現(xiàn)不均勻溫升，較厚部分混凝土芯部因溫升高而體積膨脹趨勢明顯，同時(shí)受到原橋墩界面以及升溫較低混凝土部分的約束作用，不均勻的溫度場以及較大的內(nèi)外溫度梯度，最終致使混凝土芯部以及表面均出現(xiàn)拉應(yīng)力，新舊混凝土界面附近混凝土為受壓狀態(tài)。其中芯部混凝土最大拉應(yīng)力達(dá)到28.3 MPa，混凝土表面拉應(yīng)力達(dá)到5.7 MPa，遠(yuǎn)高于C45混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，不可避免地會(huì)產(chǎn)生裂縫。隨著水化熱效應(yīng)的減弱，加固混凝土較厚部分表面應(yīng)力值逐漸下降，而較薄部分表面出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)，且隨著時(shí)間的推移持續(xù)處于高應(yīng)力狀態(tài)。

圖7 2#墩溫度應(yīng)力云圖(單位：Pa)

為了解橋墩表面的受力變化情況，分別選取加固混凝土最厚以及最薄處外表面，高度分別為1、2、3 m處各3個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析。計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8 2#墩節(jié)點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程曲線

根據(jù)圖8可知，墩身加固混凝土在澆筑后40 h左右，加固混凝土較厚位置表面拉應(yīng)力隨著溫度的升高而快速增加，最大值達(dá)到5.7 MPa，高于C45混凝土該齡期容許抗拉強(qiáng)度。隨著水化熱反應(yīng)減弱，加固混凝土較厚位置表面拉應(yīng)力逐漸減弱并轉(zhuǎn)為受壓狀態(tài)。

加固混凝土截面厚度不一致，在厚度較薄區(qū)域易出現(xiàn)應(yīng)力集中，此處混凝土表面拉應(yīng)力在澆筑后120 h左右達(dá)到峰值6.8 MPa，然后逐漸降低，在250 h時(shí)降到4.9 MPa，隨后拉應(yīng)力再次略有增加，并在400 h左右開始降低直至穩(wěn)定，按彈性模型進(jìn)行計(jì)算，在早期這段時(shí)間內(nèi)該區(qū)域混凝土始終處于高拉應(yīng)力狀態(tài)，這一結(jié)果與模型未考慮鋼筋效應(yīng)和開裂釋放應(yīng)力影響有關(guān)。根據(jù)拉應(yīng)力變化趨勢，可知此處產(chǎn)生裂縫可能性較大，與實(shí)際裂縫分布情況比較吻合。

由有限元分析結(jié)果可知，工程復(fù)雜截面加固混凝土水化熱所引起的溫度梯度是造成開裂的主要原因。因此，降低水化熱以及加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)是預(yù)防出現(xiàn)這類裂縫的重要措施。

3 裂縫成因其他因素分析

混凝土澆筑可能產(chǎn)生裂縫的原因有很多，其中受原材料變異性影響導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)明顯的收縮變形、水化熱過高而引起的內(nèi)外溫度差、施工過程中振搗不到位在凝結(jié)過程中出現(xiàn)局部下沉塌陷、養(yǎng)護(hù)不及時(shí)或者養(yǎng)護(hù)不到位等因素均可能造成混凝土開裂[11-13]。另外，對(duì)既有線加固施工是在天窗點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行的，在混凝土尚未完成終凝時(shí)就要通行列車，由此產(chǎn)生的振動(dòng)也可能是混凝土開裂的一個(gè)因素[14-15]?？梢?，產(chǎn)生裂縫的原因存在不確定性，可能是其中的一種，也可能是多種因素共同作用的結(jié)果。下面主要對(duì)除水化熱以外的其他可能因素進(jìn)行分析。

3.1 混凝土收縮變形的影響

收縮是混凝土的性質(zhì)決定的，這是一個(gè)不可避免的復(fù)雜變化過程，需要注意的是混凝土的自由收縮是不會(huì)引發(fā)開裂的，但在實(shí)際施工項(xiàng)目中，混凝土構(gòu)件都會(huì)存在約束作用，為此，可能產(chǎn)生高于抗拉強(qiáng)度的拉應(yīng)力值而發(fā)生開裂[16]。

混凝土的收縮變形、收縮速率和混凝土齡期有關(guān)，一般混凝土在初期(60 d)收縮量將達(dá)到總收縮的50%[17]，初期收縮速率較快，隨著時(shí)間的推移，收縮速率會(huì)逐漸變小。該橋墩進(jìn)行墩身加固時(shí)，橋梁已經(jīng)過長期運(yùn)營，承臺(tái)以及橋墩原有混凝土的收縮變形早已穩(wěn)定，收縮速率極小。橋墩加固混凝土在澆筑時(shí)，初期硬化時(shí)收縮速率較大，新澆筑混凝土的收縮變形與承臺(tái)和墩身的收縮變形不協(xié)調(diào)，承臺(tái)和橋墩具有較大的剛度，因此對(duì)新澆混凝土有較強(qiáng)的約束性。由此墩身加固混凝土?xí)a(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，當(dāng)橫向拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生裂縫，由于越靠近承臺(tái)約束力越大，因此該類型裂縫一般應(yīng)出現(xiàn)于墩身加固區(qū)下部中間位置。另外，若因墩柱原有混凝土和新澆混凝土收縮差而產(chǎn)生裂縫，應(yīng)該表現(xiàn)為豎向多條，且應(yīng)該分布墩柱環(huán)向四周，而實(shí)際豎向裂縫更多是靠近上部區(qū)段，條數(shù)較少，其特征與收縮裂縫特征存在一定差異，可見新舊混凝土收縮差異應(yīng)該不是本加固工程開裂的主要因素，但依然會(huì)對(duì)裂縫的產(chǎn)生造成一定影響。

3.2 列車過橋產(chǎn)生的振動(dòng)影響

車輛過橋時(shí)，橋梁受到列車動(dòng)力作用也會(huì)伴隨著產(chǎn)生振動(dòng)，這一振動(dòng)會(huì)從梁體通過支座而傳至橋墩，橋墩也會(huì)受到振動(dòng)特性的影響[18]。海港路中橋2#墩加固混凝土初凝時(shí)間為326 min，終凝時(shí)間為396 min，在天窗點(diǎn)施工結(jié)束后，混凝土尚未終凝，有列車通行。所以在新澆混凝土凝結(jié)硬化過程中，會(huì)受到列車過橋振動(dòng)因素的影響?；诖朔N考慮，在橋墩新增混凝土澆筑完成后，通行列車時(shí)對(duì)橋墩動(dòng)力特性進(jìn)行了監(jiān)測，動(dòng)力測點(diǎn)設(shè)在該橋2#墩墩頂中心，共采集貨運(yùn)列車14次，其中測得橋墩橫向振動(dòng)幅度最大值為1.5 mm，振動(dòng)頻率為1.04 Hz。監(jiān)測得到的典型位移時(shí)程曲線如圖9所示。

圖9 2#墩位移時(shí)程曲線

為了滿足交通需求，減少封閉交通帶來的不良影響，許多學(xué)者對(duì)開放交通狀態(tài)下的橋梁混凝土施工進(jìn)行了力學(xué)性能研究。王春福等[19]研究了模擬行車振動(dòng)對(duì)混凝土凝結(jié)硬化以及結(jié)構(gòu)受力性能的影響，結(jié)果表明，在最大振幅為2.54 mm的振動(dòng)模擬范圍內(nèi)，對(duì)混凝土凝結(jié)硬化以及受力特性并無不利影響。張淑琴等[20]利用振動(dòng)臺(tái)對(duì)新舊T梁橋現(xiàn)澆連接混凝土進(jìn)行了力學(xué)性能分析，其結(jié)果表明在振動(dòng)頻率低于2 Hz、振幅小于7 mm時(shí)，振動(dòng)對(duì)現(xiàn)澆混凝土力學(xué)性能不會(huì)產(chǎn)生顯著影響。Harsh et al[21]研究了車輛振動(dòng)對(duì)橋面修復(fù)混凝土帶來的影響，其試驗(yàn)結(jié)果表明，在一定配比下的混凝土，行車振動(dòng)不但不會(huì)影響新澆混凝土與鋼筋之間的握裹力，反而使其黏結(jié)性以及構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度有所提高。魏建軍等[15]研究了處于初凝與終凝之間的混凝土材料在不同振動(dòng)參數(shù)的振動(dòng)作用下，混凝土的抗拉性能的變化，結(jié)果表明，在初凝前后、初凝終凝之間以及終凝前后受到低頻較小振幅 (3 mm以下)的振動(dòng), 對(duì)混凝土的抗拉性能影響較小；受到較大振幅 (5 mm以上)的振動(dòng)時(shí), 混凝土的抗拉強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)明顯下降，從而導(dǎo)致裂縫的發(fā)生。

根據(jù)現(xiàn)有研究成果來看，本工程測得加固完成、混凝土終凝前的最大振幅僅為1.5 mm，振幅較小，對(duì)混凝土受力性能影響不大。但由于墩柱加固混凝土在水化熱作用產(chǎn)生溫度應(yīng)力裂縫后，列車振動(dòng)會(huì)加劇裂縫擴(kuò)展，是裂縫變寬延伸擴(kuò)展的一個(gè)誘因。

4 溫度裂縫控制措施

根據(jù)計(jì)算分析，針對(duì)這種加固混凝土的溫度裂縫，應(yīng)采取以下措施進(jìn)行控制：

(1)優(yōu)化混凝土配合比，選用較大粒徑骨料，適當(dāng)增加礦物摻合料替代水泥的比例，進(jìn)一步降低水泥用量，延遲水化熱過程，采用低水膠比配合比，降低水化熱溫度峰值[22]。

(2)施工前掌握混凝土水化熱升溫過程，選擇適合的環(huán)境溫度進(jìn)行開盤，嚴(yán)格控制新澆筑混凝土芯部與表層，以及既有混凝土界面的溫度差值不超過規(guī)范限制要求，有效降低溫度梯度，控制拉應(yīng)力的產(chǎn)生[23]。

(3)加強(qiáng)早期養(yǎng)護(hù)，在溫度變化較大的時(shí)候，要采用合理的手段如蓄水法等，對(duì)混凝土內(nèi)外溫度差進(jìn)行控制。

5 結(jié)論

以大萊龍鐵路海港路中橋2#橋墩裂縫加固處置為背景，對(duì)橋墩混凝土的開裂影響因素和處理措施進(jìn)行了研究，并得出以下結(jié)論：

(1)在橋墩加固混凝土澆筑施工時(shí)，水化熱引起的溫度梯度效應(yīng)會(huì)致使混凝土出現(xiàn)明顯的不均勻變形和較大的拉應(yīng)力，加之自身截面不規(guī)則，厚度變化，會(huì)使產(chǎn)生的不均勻體積變形更加顯著，混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)增加，通過模擬計(jì)算表明,導(dǎo)致本工程加固混凝土開裂的主要因素是截面變化以及過高的水化熱溫度效應(yīng)。

(2)新澆筑混凝土的收縮會(huì)受到既有混凝土的約束，從而導(dǎo)致新澆混凝土在硬化過程中產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)其超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)會(huì)出現(xiàn)開裂，根據(jù)本加固混凝土工程裂縫形態(tài)，表明不是由新舊混凝土收縮差異這單一因素造成的開裂事故。

(3)加固混凝土要點(diǎn)施工，在其終凝前一般要通行列車，其振動(dòng)影響也是加速混凝土開裂的可能誘因。根據(jù)本工程實(shí)測列車過橋動(dòng)力特性結(jié)果表明，該振動(dòng)應(yīng)該不是混凝土開裂的主要因素，但是當(dāng)水化熱過高而產(chǎn)生裂縫后，振動(dòng)因素將是混凝土裂縫發(fā)展的可能誘因，這一點(diǎn)也應(yīng)該引起重視。條件允許時(shí)應(yīng)該在混凝土終凝后再通行列車。