異形梁清水混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)評估及抗裂措施研究

張繼忠，薛海龍，鄭河舟

（1.山西省安裝集團(tuán)股份有限公司，山西 太原 030032；2.中鐵建工集團(tuán)有限公司，北京 100160；3.中鐵十二局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司，山西 太原 030024）

0 引言

清水混凝土是一種少有的、同時(shí)兼具力學(xué)承載性能和極佳裝飾性能的建筑施工工藝，通過該工藝能夠?qū)崿F(xiàn)自然穩(wěn)重、樸實(shí)無華的裝飾效果，因此被廣泛地運(yùn)用于高架橋梁、大型高鐵車站等市政交通工程中[1-4]，近年來在民用建筑和工業(yè)建筑上也有了一定的應(yīng)用。高鐵站房作為客流量較大的公共交通樞紐，采用清水混凝土梁柱結(jié)構(gòu)，除可保證結(jié)構(gòu)安全外，還可營造厚重與清雅的美感，這是其他裝飾材料無法做到的。但為提升清水混凝土的整體外觀質(zhì)量和裝飾效果，常常需通過增加混凝土中的膠凝材料用量來保證顏色質(zhì)量和表面平整密實(shí)度[5]。而對大體積混凝土的溫度裂縫控制，一般主要是通過降低混凝土中膠凝材料的用量，進(jìn)而控制結(jié)構(gòu)放熱量和溫升，因此二者之間存在一定的矛盾。本文基于雄安站站房墩柱上部的清水混凝土梁結(jié)構(gòu)特性和材料性能，對清水混凝土早期溫升及開裂風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估計(jì)算，針對性提出裂縫控制措施，并將最終的監(jiān)測結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比，驗(yàn)證裂縫控制技術(shù)的合理性。

1 工程概況

雄安站位于雄安新區(qū)雄縣城區(qū)東北部，距起步區(qū)20km，總建筑面積47.52 萬m2，地上3 層，地下2 層。站房以“建構(gòu)一體”為設(shè)計(jì)原則，將自然、樸素作為理念與特色，通過優(yōu)化首層候車大廳及兩側(cè)城市通廊的清水混凝土開花柱和弧線型清水混凝土異形梁的梁柱關(guān)系，強(qiáng)化整體的結(jié)構(gòu)美，表達(dá)開放包容、兼容并蓄的建筑氣質(zhì)。該工程清水混凝土結(jié)構(gòu)建筑面積約3 萬m2，墩柱主要截面尺寸為2.7m×2.7m，異形梁高3.2m，梁寬1.2～1.9m，跨度30m，上部梁與墩柱采用弧形連接，梁柱總高14.215m，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C50。項(xiàng)目實(shí)施階段，清水混凝土墩柱和梁分兩次澆筑，即先澆筑至下部墩柱8.4m 高度位置，再澆筑上部弧形連接段和梁部分。由于兩次澆筑時(shí)間間隔較長，梁澆筑時(shí)墩柱溫度變形已經(jīng)基本完成，因此梁的早期收縮變形受到底部墩柱的約束較大，且梁與柱弧形連接處厚度逐漸變大，其內(nèi)部溫升也會(huì)增加，經(jīng)分析研究可知異形梁混凝土存在較大的開裂風(fēng)險(xiǎn)，因此本文針對上部異形梁清水混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行開裂風(fēng)險(xiǎn)評估與控裂措施研究。

2 開裂風(fēng)險(xiǎn)評估計(jì)算

2.1 計(jì)算模型及參數(shù)

采用MIDAS/FEA 軟件建立墩柱、梁的有限元計(jì)算模型。異形梁高3.2m，寬1.2～1.9m，單根梁懸臂長約15m，梁與柱交接處總高5.2m。異形梁混凝土配合比如表1 所示。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果和工程經(jīng)驗(yàn)，C50 清水混凝土的熱力學(xué)參數(shù)取值列于表2。另外，在計(jì)算時(shí)采用水化度來描述混凝土彈性模量和抗拉強(qiáng)度隨齡期的發(fā)展。

表1 清水混凝土配合比 單位：kg/m3

表2 C50 清水混凝土熱力學(xué)參數(shù)

計(jì)算考慮了氣溫較低的冬季和氣溫較高的夏季兩種工況，混凝土入模溫度分別為15℃和35℃，平均氣溫分別為10℃和30℃。梁采用鋼模板支護(hù)，鋼模板散熱系數(shù)為70kJ/（m2·h·℃）。開裂風(fēng)險(xiǎn)評估考慮保溫措施的使用對開裂風(fēng)險(xiǎn)的影響，據(jù)此來給出抗裂措施建議。

2.2 開裂風(fēng)險(xiǎn)評估準(zhǔn)則

評估過程中定義結(jié)構(gòu)混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)如式（1）所示。

式中：σ（t）——t 時(shí)刻的混凝土最大拉應(yīng)力；ft（t）——t時(shí)刻的混凝土抗拉強(qiáng)度。

一般認(rèn)為η>1.0 時(shí)，混凝土一定會(huì)開裂；考慮材料性能波動(dòng)，認(rèn)為0.7<η≤1.0 時(shí)混凝土存在一定開裂風(fēng)險(xiǎn)；η≤0.7 時(shí)混凝土基本不會(huì)開裂。

2.3 無保溫措施下開裂風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果分析

夏季和冬季澆筑工況下的梁溫度和開裂風(fēng)險(xiǎn)曲線如圖1 所示，圖中分析所選取的特征點(diǎn)分別為梁柱交接處混凝土中心點(diǎn)（靠近下部墩柱位置）、橫梁中心點(diǎn)和橫梁側(cè)表面點(diǎn)。

由圖1a 可見，冬季15℃入模、無保溫措施工況條件下，梁柱中心和梁中心在2.5d 齡期達(dá)到溫峰52.8℃，溫升37.8℃。梁中心與梁側(cè)面最大溫差為21.2℃。而在夏季35℃入模條件下，由于混凝土放熱速率明顯加快，梁柱中心和梁中心溫峰均達(dá)到79.0℃左右，溫升幅度達(dá)到44℃，相比于冬季工況上升了6.2℃，梁中心與梁側(cè)面的內(nèi)外溫差也達(dá)到了25.1℃，超過了大體積施工規(guī)范規(guī)定的25℃標(biāo)準(zhǔn)。由此可見混凝土入模溫度越高，越不利于溫升和溫差的控制。由圖1c、圖1d 結(jié)果可知，梁柱中心和梁中心最大開裂風(fēng)險(xiǎn)均超過了0.7 的安全閾值，均有一定程度的開裂可能。特別是距離墩柱較近的梁柱中心位置，冬季工況下最大開裂風(fēng)險(xiǎn)為0.84，夏季工況則達(dá)到0.91，存在相當(dāng)大的開裂可能性。這主要是由于梁柱中心處溫升高，溫降幅度大，其收縮變形受到底部先澆筑墩柱的約束更為顯著。對于梁身側(cè)表面而言，夏季工況下內(nèi)外溫差較高，開裂風(fēng)險(xiǎn)最大達(dá)到1.1 左右，可認(rèn)為梁側(cè)表面一定會(huì)發(fā)生開裂。冬季工況下梁側(cè)面與中心內(nèi)外溫差較低，但側(cè)面開裂風(fēng)險(xiǎn)仍超過了0.7，無法達(dá)到裂縫控制目標(biāo)。

圖1 不同季節(jié)澆筑工況下梁早期開裂風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果

分析可知，如果梁澆筑時(shí)表面不采取保溫措施，梁中心與側(cè)表面均存在較高的開裂可能，特別是夏季高溫入模工況下開裂風(fēng)險(xiǎn)更高。因此需考慮采用一定的保溫措施加以控制。

2.4 保溫措施對梁開裂風(fēng)險(xiǎn)的影響

清水混凝土梁拆除模板后表面散熱較快，會(huì)造成結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差的上升以及降溫速率的加快，不利于早期裂縫控制?；诖?，考慮在梁模板拆除后使用覆蓋保溫措施以控制表面散熱。根據(jù)現(xiàn)場施工具體情況，兼顧經(jīng)濟(jì)性和可操作性，考慮采取塑料薄膜加土工布包裹覆蓋保溫的方法，根據(jù)《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50496—2018）可知，土工布導(dǎo)熱系數(shù)較低，約0.05W/（m·K），則3mm 厚土工布和塑料薄膜保溫養(yǎng)護(hù)下的混凝土表面散熱系數(shù)約25kJ/（m2·h·℃）。由于鋼模板散熱系數(shù)較大且不易保溫，因此建議將拆模時(shí)間提前至1d 齡期，拆模后立即采用保溫措施養(yǎng)護(hù)。

采用保溫措施后，梁柱中心和梁中心位置溫峰值雖略有增加但幅度不大，而梁側(cè)表面溫峰則顯著上升，且梁內(nèi)外降溫速率均有一定減緩。采用保溫措施后，冬季15℃入模工況下最大內(nèi)外溫差由21.4℃降低至12.8℃，夏季35℃入模工況下最大內(nèi)外溫差由25.1℃降低至16.1℃，內(nèi)外溫差降低效果顯著。梁柱中心和橫梁中心的開裂風(fēng)險(xiǎn)均有了明顯下降。除夏季高溫入模工況的梁柱中心以外，其余位置的開裂風(fēng)險(xiǎn)均降低至0.7以下，滿足了裂縫控制目標(biāo)。主要是保溫措施降低了溫降速率，減緩了收縮拉應(yīng)力的發(fā)展趨勢，并增加了徐變作用的發(fā)揮。對于開裂風(fēng)險(xiǎn)較高的梁側(cè)表面，保溫措施均降低了開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)20%以上，冬季工況下開裂風(fēng)險(xiǎn)小于0.7，基本不會(huì)開裂。夏季工況由于溫升速度快，1d 齡期前鋼模散熱系數(shù)大，造成拆模前開裂風(fēng)險(xiǎn)超過了0.7，但拆模使用保溫措施后開裂風(fēng)險(xiǎn)就快速下降至0.7 以下。

因此，保溫措施的使用可有效降低夏季和冬季入模工況下清水混凝土梁的開裂風(fēng)險(xiǎn)，使得冬季澆筑工況實(shí)現(xiàn)基本不開裂的控制目標(biāo)。夏季高溫入模工況下梁柱中心和側(cè)表面仍有一定的開裂可能性，可考慮通過降低入模溫度來進(jìn)一步控制開裂風(fēng)險(xiǎn)。

3 異形梁工程監(jiān)測結(jié)果分析

為判斷開裂風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果的正確性和保溫抗裂措施的有效性，準(zhǔn)確判斷梁體開裂情況，對雄安站2019年12 月21 日澆筑的某一異形清水梁進(jìn)行了溫度和應(yīng)變監(jiān)測，在橫梁中心、橫梁側(cè)表面、梁柱中心位置埋設(shè)了溫度和應(yīng)變監(jiān)測探頭。實(shí)際澆筑時(shí)，異形梁混凝土澆筑的入模溫度約14.7℃，平均氣溫約8℃，與評估工況基本相同。施工過程中梁柱交接的位置使用鋼模板，橫梁位置處使用木模板，木模板導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于鋼模板，計(jì)算可得未拆模前混凝土散熱系數(shù)約20kJ/（m2·h·℃）。木模板保溫效果較好，相比于鋼模板更有利于橫梁內(nèi)外溫差的控制，拆模后梁表面均采用塑料薄膜包裹，再覆蓋養(yǎng)護(hù)土工布進(jìn)行保溫。

將溫度監(jiān)測結(jié)果與冬季15℃入模工況的計(jì)算結(jié)果對比于可知，施工中異形梁中心位置處在2.5d 齡期達(dá)到溫度峰值52.8℃，評估結(jié)果中為3d 達(dá)到溫峰54.0℃，二者的溫度峰值與溫峰時(shí)間均吻合較好。而梁側(cè)表面處溫度峰值的監(jiān)測結(jié)果高于計(jì)算結(jié)果約5℃，差別較為明顯。分析可知：一方面由于實(shí)際使用的木模板保溫效果更好，另一方面由于評估中選取的表面點(diǎn)為距表面測點(diǎn)5cm 處的節(jié)點(diǎn)，而實(shí)際表面溫度監(jiān)測點(diǎn)的位置距離表面超過5cm，因此可能存在一定的差距?？傮w上二者溫度曲線的特征值和發(fā)展趨勢均有較高的一致性。

清水混凝土異形梁柱交接中心處最大應(yīng)變值為361.8με，橫梁中心處最大應(yīng)變?yōu)?39.55με，結(jié)構(gòu)單位膨脹溫升變形約11με/℃，溫降階段單位收縮變形約12με/℃。監(jiān)測結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)溫升和溫降階段應(yīng)變變化均勻，未出現(xiàn)明顯跳點(diǎn)，說明梁柱中心和橫梁中心位置未發(fā)生開裂，且梁混凝土表面上也未找到裂紋。這一結(jié)果符合評估預(yù)期，證明了保溫抗裂措施的合理性。

4 結(jié)語

（1）由異形梁開裂風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果可知，如不采取保溫措施，異形梁在夏季35℃入模和冬季15℃入模工況下，中心溫升較高，內(nèi)外溫差大，降溫速率快，結(jié)構(gòu)中心和表面開裂風(fēng)險(xiǎn)均不能滿足控裂標(biāo)準(zhǔn)。特別是夏季高溫入模工況下，梁柱交接處中心和梁表面開裂可能性較高。

（2）根據(jù)開裂風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果，在梁表面拆模后采用塑料薄膜和土工布覆蓋等保溫措施可有效降低結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差和整體降溫速率，使得夏季高溫入模工況的開裂風(fēng)險(xiǎn)顯著降低，且可保證冬季入模工況開裂風(fēng)險(xiǎn)低于0.7 的閾值，達(dá)到裂縫控制目標(biāo)。

（3）對比了采用保溫抗裂措施的冬季入模工況下異形梁的實(shí)際監(jiān)測溫度曲線與數(shù)值模擬結(jié)果，二者吻合較好。異形梁中心應(yīng)變監(jiān)測曲線未出現(xiàn)跳點(diǎn)，表面未出現(xiàn)裂紋，與預(yù)估結(jié)果相同。證明了開裂風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果的準(zhǔn)確性和保溫抗裂措施的合理性。