國外某供水工程高位混凝土水塔裂縫分析

【摘要】國外某供水工程其高位水塔修建一年后，在工程移交前當進行水壓試驗時，發(fā)現(xiàn)薄壁結(jié)構(gòu)的高位混凝土水塔有數(shù)道貫穿裂縫。本文對裂縫的成因進行了分析，對裂縫寬度、個數(shù)和溫度應力進行了計算。提出了在炎熱地區(qū)或溫差比較大的地區(qū)從事類似工程時減少混凝土溫度裂縫的建議，供從事類似工程設計和施工的人員參考。

【關鍵詞】供水工程；混凝土；高位水塔；溫度應力；裂縫分析

[Abstract]After constructed one year in one foreign courtly， the concrete cracks being detected for high elevated and thin- thickness water tower when carrying out water pressure test before handing over the project. The analysis have been made for the cracks including the crack numbers， the opening width， the reason of the crack and the calculation of the thermal stress. Some proposals are made to minimize the concrete thermal stress when working in hot weather or big temperature drop area， it may provide reference for the Designer and the contractor in such similar works.

[Key words]Water supply project ， concrete， high elevated water tower， thermal stress， crack developing analysis.

1、工程概況

1.1 工程基本情況。2013年6月5日中川國際承接了坦桑尼亞投資公司（UTT）的供水工程和10公里道路工程。這是一綜合開發(fā)項目。同年7月5日動工，其中供水項目主要包括包括12.1公里長，直徑從50mm-250mm的各種供水管道，各類閘閥，閘閥井，泵房、警衛(wèi)室和高位水塔等。工程所在地是巴加莫約市馬坪嘎開發(fā)區(qū)，靠近海邊，距離坦桑尼亞首都30公里，海撥高度8-10米。

1.2 當?shù)貧夂蚯闆r。由于地處低緯度，受印度洋季風影響，氣候濕熱，平均相當濕度在70-80%左右。當?shù)赜炅砍渑?，地表水很豐富，年平均降水量1100毫米。每年10月至翌年5月是雨季，其中3-5月降雨最多。

12月至次年2月盛行北和東北風，4～7月盛行南和西南風，8～11月盛行東風并偶有大風，平均風速在3米/秒以上。

年平均氣溫1-3月和12月份最高為32℃，7～9月最低為18℃。年平均氣溫為25.8℃。月最低溫差在8℃以上，在7-10月，溫差可達10～11℃. 當?shù)貧鉁亟y(tǒng)計情況見表1. 在太陽直接照射下，地面溫度可達40℃以上。

1.3 高位混凝土水塔的設計概況。高位混凝土水塔的設計分為上、中、下三部分。

上部分是水塔，塔內(nèi)徑為6m，外徑為6.46m，壁厚為0.23m。內(nèi)部高度為4.5米。底板厚0.25m，頂板厚0.20m。塔灌滿后可容納最大127噸的水。塔壁和底板設計為雙層鋼筋，其中池壁豎向鋼筋為雙層雙向，鋼筋直徑為12mm，間距為150mm。其配筋率為0.33%。鋼筋模量比為0.046。該水池水力半徑的倒數(shù)為r=， r=0.0877（1/cm）。

中部是類似水桶的支撐部分，由6根直徑為300mm的鋼筋混凝土柱支撐，在柱子之間有兩個不同高度的水平圈梁連接。柱之間由250mm厚的水泥砂磚填充。支撐部分的內(nèi)外徑分別為3.75m和4.25m。

下部類似于中部，其構(gòu)造物延到地面1.8m深。

鋼筋混凝土的設計強度為C30。高位水塔的設計是由當?shù)匾患乙?guī)模比較小的設計及監(jiān)理公司提供。

1.4 高位水塔所用建筑材料

鋼筋的抗拉強度為460MPa。水泥材料當?shù)禺a(chǎn)425普通硅酸鹽水泥。砂石當?shù)夭少彽氖⑸?，骨料是當?shù)夭少彽幕◢弾r骨料，其最大粒徑為20mm?；炷羻畏讲牧嫌昧恳姳?。 該配合比的水泥漿量為27%。

混凝土的導熱系數(shù)為2.458W/（m℃），比熱為0.97kJ/（kg℃），導溫系數(shù)為0.068m2/d，線膨脹系數(shù)為8.6×10-6。

1.5 高位水塔裂縫情況

該工程在2013年12月5日完工，并進入養(yǎng)護期。高位水塔完工后，按業(yè)主要求在整個外測摸了一道水泥砂漿，并刷了一層白漆以減少太陽的輻射。根據(jù)合同要求在工程移交前進行水壓試驗，當進行水壓試驗時發(fā)現(xiàn)高位水塔出現(xiàn)數(shù)道裂縫。水塔的東、西兩側(cè)的裂縫較長，東側(cè)的裂縫最大。1年后發(fā)現(xiàn)水塔表面的白漆在雨水和日照的作用下已變淡了許多。

2、高位混凝土水塔裂縫成因分析

2.1 原材料分析

2.1.1 水泥。受條件所限當?shù)貨]有低熱或中熱水泥，也沒有礦渣水泥，也沒有粉煤灰，外加該工程的混凝土量也不大，承包人也只有采用當?shù)氐纳a(chǎn)的普通硅酸鹽水泥。而普通硅酸鹽水泥的發(fā)熱量比其它水泥高12%左右。

2.1.2 砂石骨料。砂石骨料是從當?shù)夭少彽?。表面都很潔凈。由于結(jié)構(gòu)物的斷面只有230mm寬，外加雙層鋼筋的限制，承包人只能采用最大骨料粒徑為20mm的骨料。

2.1.3 外加劑。由于混凝土的工程量不大，故未考慮使用混凝土外加劑。

混凝土28天的抗壓強度為36MPa左右，滿足設計要求，因而可排除使用了劣質(zhì)材料造成裂縫的可能性。

2.2 邊界條件分析。該高位水塔建筑在均勻的持力層上，其基礎的深度在1.8m。結(jié)構(gòu)物未承受荷載，未產(chǎn)生不均勻沉降。因而可排除由于地基不均勻沉降而造成裂縫的可能性。

2.3 溫度的影響。當?shù)氐臍鉁刈兓容^大，月均最大溫差在10℃左右。有時候結(jié)構(gòu)物在太陽下暴曬，其表面溫度可到40℃以上。表1顯示當?shù)仄骄總€月都有7場雨?？紤]結(jié)構(gòu)物尚未承受任何荷載前產(chǎn)生裂縫，在冷熱氣溫交替作用下，該混凝土結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生裂縫的可能性最大。

高位水塔早上東曬，下午西曬。白天大部分時候，水塔的外表面受太陽的暴曬，其溫度高于內(nèi)表面。到了晚上溫度降低，其內(nèi)表面的溫度大于其外表面。這時候如遇刮風下雨的話，其內(nèi)表面的溫度會大高于其外表面。該高位水塔在溫度荷載作用下，反復經(jīng)受著拉壓循環(huán)應力的作用。

3、高位水塔溫度應力計算

3.1 混凝土的干縮變形。根據(jù)前述以及參考文獻，可計算到該混凝土結(jié)構(gòu)物在各個齡期的干縮應變，見表3.

3.2 混凝土的絕熱溫升

混凝土的最高絕熱溫升……………………（1）

式中W為水泥用量，Q為水泥的發(fā)熱量，普通425水泥其值為378kJ/kg.γ為混凝土的容重，C為混凝土的比熱，取0.97kJ/（kg.℃）。該混凝土的最高絕熱溫升為73.4℃。

3.3 混凝土的極限拉伸值?；炷恋目估瓘姸热?.0MPa，計算得到配筋后混凝土的極限拉伸值為127.5 uε。若將鋼筋的間距從150mm減小到100mm，則其極限拉伸值可提高11%。

3.4 混凝土結(jié)構(gòu)物總溫差的計算式

按文獻[1]由干縮產(chǎn)生的當量溫差為：Td=εy/α

α為混凝土的線膨脹系數(shù)，α=8.6×10-6

考慮結(jié)構(gòu)物厚度小于500mm，計算未考慮絕熱溫升對結(jié)構(gòu)物的開裂的影響。日照溫差按Ts=11℃計算， 總溫差為T=Td+Ts （℃）。

3.5 高位水塔的裂縫應力計算

3.5.1 外表面溫度應力計算公式

按文獻[1]由溫度應力產(chǎn)生的環(huán)向的最大應力為：

σmax=…………………（2）

式中kt為松弛系數(shù)，取0.5；

E為混凝土的彈性模量，取30GPa；

T為總溫差；

μ為混凝土的泊松比，取0.15。

3.5.2 內(nèi)表面溫度應力計算公式

按文獻[1]由干縮變形產(chǎn)生的拉應力為

σθ1=…………………（3）

由日照引起的環(huán)向拉應力為

σθ2=………………（4）

式中K1=0.9，Kt=0.50

內(nèi)表面最大的環(huán)向拉應力σmax=σθ1+σθ2

3.5.3 內(nèi)、外表面混凝土溫度應力的計算

在不同齡期混凝土干縮應變，內(nèi)、外表面溫度應力的計算結(jié)果列入表3.

從表3中可以看出，高位水塔混凝土的拉應力隨著混凝土干縮和溫度應力的增加而逐漸增大，在3個月之后會超過混凝土的抗拉強度而導致開裂。在1年齡期混凝土的干縮變形將達到最大，其溫度應力也隨之最高，可達到2.9-3.0MPa。大于混凝土抗拉強度的設計值，因而該高位水塔必然產(chǎn)生開裂。

由前文可以看出，前期混凝土的絕熱溫升很高，但在2個月內(nèi)并未產(chǎn)生裂縫，說明前期混凝土的施工控制還是比較好的。

由于溫度應力而產(chǎn)生的單位長度上縱向和環(huán)向力矩按式（3）可算得，式中h為高位水塔的壁厚。

Mx=…………………………………………… （5）

由于溫度荷載所產(chǎn)生的彎矩是十分可觀的。它可能作用在任何斷面上，因而在設計上是不容忽視的。

3.5.4 裂縫開展寬度和個數(shù)計算

將水塔折算成等厚度的實心板，可計算裂紋開展寬帶和裂紋間距，其公式為：

平均裂縫間距……………………（6）

平均裂縫寬度…………………………（7）

式中=0.3， β=

等效高度H=（）4.5+0.20

考慮水塔中部為筒形結(jié)構(gòu)，加之底板只有250mm厚，取水平阻力系數(shù)Cx=1.0N/m3，總長度L=20.2米，等效高H=0.82m和前文參數(shù)代入公式（6）和（7）可計算得到在溫度荷載作用下，水塔將產(chǎn)生的裂紋數(shù)目和開展寬度，其值列入表4。表中的水平拉應力是取松弛系數(shù)為0.4計算得到，其值與表3中的結(jié)果很接近。

現(xiàn)場觀察：裂縫的條數(shù)和裂縫寬度與計算結(jié)果基本上相符。據(jù)研究，該類型的裂縫在一定的時間段后會穩(wěn)定，這主要是混凝土的干縮變形發(fā)展到一定時期后基本穩(wěn)定之故。一般情況下裂縫修補后并不影響結(jié)構(gòu)的正常使用。

用筆者編制的“混凝土性能預測及其溫度應力計算程序”可十分方便的完成上述計算工作。

3.5.5 光照產(chǎn)生的位移。在光照的溫差荷載作用下，該水塔頂端可產(chǎn)生約2mm的位移。

4、減少裂縫的建議和措施

由上述計算可以看出，該類似的結(jié)構(gòu)物裂縫是逐漸開展的，裂縫是不可避免的。反思在類似的工程中可采取下列措施以減少裂縫開展的寬度和條數(shù)：

摻用引氣型減水劑，減少混凝土用水量和水泥用量，減少混凝土的干縮變形、水化溫升；同時可減少混凝土的彈性模量和混凝土的溫度應力，提高混凝土的勻質(zhì)性、耐久性并增加混凝土的抗裂性能。

適當增加混凝土結(jié)構(gòu)物的厚度或?qū)挾龋从嘘P標準規(guī)定，對于鋼筋混凝土其最小的結(jié)構(gòu)物物尺寸不得小于250mm。

對于類似的薄壁結(jié)構(gòu)物應減少鋼筋的間距，以提高結(jié)構(gòu)物的抗裂能力。

內(nèi)外表增加1-2層水泥砂漿，這相當于對混凝土加了層保溫材料，可直接減少混凝土干縮變形，減緩溫度荷載的作用。

水塔修建完畢后應盡早投入使用，水塔里面充滿水后，可減緩混凝土干縮裂縫的發(fā)展，即可顯著的減少由于溫度荷載而產(chǎn)生的溫度應力。

水塔外表應刷白色油性涂料，盡可能減少反光，減少混凝土溫度應力。

對薄壁結(jié)構(gòu)也可施加體外預應力，以增加混凝土結(jié)構(gòu)物整體的抗裂性能。

在條件許可的情況下，可在混凝土中摻加一定數(shù)量的纖維以增加混凝土結(jié)構(gòu)物的抗裂性能。

5、結(jié)語

在炎熱地區(qū)以及在溫降比較大的地區(qū)施工，混凝土的溫度應力足以造成鋼筋混凝土薄壁結(jié)構(gòu)的開裂。由溫度應力引起的抗彎力矩其數(shù)值不小，而且可作用在任何斷面，不論是施工方還是設計人員都應引起足夠的重視。

對于重要的，特別限制開裂寬度的結(jié)構(gòu)物，采用本文的措施相信會大大減少混凝土開裂的數(shù)目和開裂的寬度，提供工程質(zhì)量。

參考文獻：

[1]王鐵夢著.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999年4月.

[2]鄧進標，鄒志暉，韓伯鯉等編.水工混凝土建筑物裂縫分析及其處理，武漢：武漢水利電力大學出版社，1998年.

[3]吳政.某工程沖沙閘下導墻裂縫成因分析[J].水電工程研究，2001年3月.