（工程力学专业论文）桥梁大体积混凝土构件非荷载裂缝成因分析.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着我国交通事业的快速发展，大跨径桥梁也随之大量的出现，在桥梁中 大体积混凝土的承台、锚碇、主塔、大跨径刚构桥的僻梁段等亦随之大量的出 现。目前，随着大跨径桥梁采用标号越来越高的混凝土以及施工单位为了尽力 加快施工工期而常常采用超早强混凝土等因素，而致使桥梁大体积混凝土构件 所用水泥的水化热量值和水化的放热速度较过去有很大幅度的增长，这就使得 大跨径桥梁中的大体积混凝土构件的温度、收缩裂缝问题日益突出。 大体积混凝土在硬化过程中释放的水化热会在结构不同部位产生较大的温 度变化和约束作用，由此而产生的温度、收缩应力是导致混凝土出现裂缝的主 要原因。而大体积混凝土构件在旌工期间产生的非荷载裂缝会影响到结构的整 体性、防水性和耐久性，这些裂缝就成为了结构的隐患，所以桥梁大体积混凝 土在施工过程中必须考虑构件的裂缝控制。 本文在总结桥梁大体积混凝土构件温度、收缩裂缝产生原因的基础之上， 本文结合贵州与广西两省、自治区交界处红水河上的罗天乐特大桥的3 襻、甜墩 的僻梁段出现施工期间的非荷载裂缝的现象，以及通过对钟墩晔梁段结构的模 拟仿真分析，研究分析了该o j j 梁段构件内部的温度场和温度、收缩应力的变化 规律，找出了施工单位不合理的施工状况而致使该0 梁段的第一浇筑层在已经 充分硬化的情况之下对新浇筑的第二浇筑层构件在其水化收缩过程之中产生了 较大的约束应力和所采用的超早强混凝土在早期释放大量的水化热而产生较大 的温度应力综合作用下是该哗梁段出现非荷载裂缝的主要原因。 用有限元软件m i d a s 对该皑梁段的施工过程进行了数值模拟分析，有限元 模拟分析的该0 释梁段的温度场和温度应力的发展过程以及温度和温度应力的极 值，都与该o | 梁段的实际情况比较接近，模拟分析的结果与实际监测、分析的 结果偏差不是很大，所以在一些桥梁大体积构件在施工之前用有限元按实际施 工情况提前模拟分析而用以指导实际的施工，还是有一定的借鉴和指导作用的! 本文在对罗天乐特大桥4 撑墩0 j f j 梁段在施工期间出现非荷载裂缝原因的调查 研究基础之上，找出了该桥o 梁段出现裂缝的具体原因，为今后同类工程提供 了一个有益的参考和借鉴。 关键词：桥梁大体积构件；温度场；温度应力；裂缝成因分析；数值模拟分 析 武汉理t 大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t w i t ht h eb o o m i n gd e v e l o p m e n to ft r a n s p o r t , t h ew i d e l ya p p e a r a n c eo fl o n g - s p a n b r i d g eh a v ea l r e a d yb r o u g h ti n t oa t t e n t i o n m e a n w h i l e ，p i l ec a p ，a n c h o r a g e ，m a i n t o w e r , a n db i gs p a nr i g i df l a m eb r i d g e s0 撑b e a mo fm a s sc o n c r e t ew a sl a r g e l y a d o p t e db yt h el o n g - s p a nb r i d g e n o w , t h er e q u i r e m e n to f c o n c r e t eg r a d ei sg r a d u a l l y h i g h e rt h a nb e f o r e ，b u tu n f o r t u n a t e l y , t h ep r o b l e mo ft h em a s sc o n c r e t es t r u c t u r a l t e m p e r a t u r e a n dc r a c k sh a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l ys h a r p ，b e c a u s ec o n s t r u c t i o n o r g a n i z a t i o n o f t e n a d o p ts u p e r - e a r l y - s t r e n g t h c o n c r e t ef o r s p e e d i n gu p t h e c o n s t r u c t i o np e r i o d ，w h i c hc o n t r i b u t et os u b s t a n t i a li n c r e a s et h ec e m e n t sh y d r a t i o n h e a tv a l u ea n dt h ec e m e n t sh y d r o u sh e a tl i b e r a t i o nr a t ea d o p t e db ym a s sc o n c r e t e e l e m e n t t h em a i nr e a s o no fc o n c r e t ec r a c k si s ，i nt h eh a r d e n i n gp r o c e s sh y d r a t i o nh e a t r e l e a s e db ym a s sc o n c r e t e , w i l lp r o d u c eb i g g i s hv a r i a t i o n so ft e m p e r a t u r ea n d c o n s t r a i n s d u r i n gc o n s t r u c t i o nm a s sc o n c r e t ee l e m e n tg i v eb i r t ht on o n - l o a dc r a c k s t h a tw i l li n f l u e n c et h ei n t e g r i t yo ft h es t r u c t u r e , w a t e r p r o o f i n ga n dd u r a b i l i t y , e v e n t u r ni n t oc o n s t r u c t i o n a lh i d d e nd a n g e r , s oc r a c k sc o n t r o lo fm a s sc o n c r e t ee l e m e n t s h o u l db es e r i o u s l yc o n s i d e r e d b a s e do nt h er e a s o no ft h ea p p e a r a n c eo fm a s sc o n c r e t es t r u c t u r a lt e m p e r a t u r e a n dc r a c k s ，t h i sp a p e rs t u d i e dt h ep h e n o m e n o no f n o n - l o a dc r a c k sa p p e a r e do n3 撑，甜 p i e r , a n d 雠b e a ms e c t i o no fl ot i nl o kb r i d g eo v e rt h er e dr i v e rl o c a t e da tt h e j u n c t i o n o fg u i z h o u p r o v i n c ea n dg u a n g x ia u t o n o m o u sr e g i o n s ，a s w e l la s s i m u l a t i o na n a l y z e dt h es t r u c t u r eo f4 群p i e ra n d0 群b e a ms e c t i o n i na d d i t i o n , t h i s e s s a ym a k e st h ef u r t h e re x p l o r a t i o no l lt h ec h a n g er u l eo fs t r u c t u r a li n n e rt e m p e r a t u r e f i e l d ，t e m p e r a t u r ea n ds t r e s so fo 撑b e a ms e c t i o n ，a n df i n do u tt h eu n r e a s o n a b l e c o n s t r u c t i o ns c e n a r i ot h a ti si n t e g r a t et h er e s t r a i n ts t r e s s ( f r o mt h ee f f e c to ft h ef i r s t l i f to nt h es e c o n dn e wl i f ti nt h eh y d r a t i o nc o n t r a c t i o np r o c e s s ) a n dt h et e m p e r a t u r e s t r e s s ( p r o d u c e db yh y d r a t i o nh e a tu l t r a - e a r l y - s t r e n g t hc o n c r e t ei nt h ee a r l ys t a g e ) ， w h i c hl e a dt op r o d u c en o n 1 0 a dc r a c k s i i 武汉理工大学硕士学位论文 n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i st ot h ec o n s t r u c t i o np r o c e s so f 撑0b e a ms e g m e n t h a sb e e nc a r r i e do u tw i t hm i d a ss o f t w a r e t h e t e m p e r a t u r ef i e l d t h e t r a n s f o r m a t i o n p r o c e s so ft h e r m a ls t r e s s ，t h et e m p e r a t u r e sa n dt h ee x t r e m et h e r m a l s t r e s so f 撑ob e a ms e g m e n tw h i c hh a db e e na n a l y z e dw i t hf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n m e t h o d , m a t c h e dw e l lw i t ht h er e a l i s t i cs i t u a t i o n t h ed e v i a t i o nb e t w e e nt h er e s u l t so f r e a l i s t i cm o n i t o r i n ga sw e l la sa n a l y s i sa n dt h er e s u l t so fs i m u l a t i o na n a l y s i si sv e r y s m a l l t os i m u l a t ea n da n a l y z et h el a r g ev o l u m ec o m p o n e n t so fb r i d g e sw i t hf i n i t e e l e m e n ts o f t w a r eb e f o r ec o n s t r u c t i o na c c o r d i n gt ot h er e a l i s t i cc o n s t r u c t i o ns i t u a t i o ni s o fs o m eu s a g et oi n s t r u c tt h er e a lc o n s t r u c t i o n 1 1 1 i sp a p e rb a s e do nt h er e s e a r c ht h a ti s4 撑p i e r , a n do j | i b e a ms e c t i o no fl ot i n l o kb r i d g ea p p e a rn o n l o a dc r a c k s ，a n df i n do u tt h es p e c i f i cr e a s o no fw h yt h e b r i d g eh a sn o n l o a dc r a c k s ，w h i c hp r o v i d e sa l lb e n e f i c i a lr e f e r e n c ea n dr e s o u r c ef o r s i m i l a rp r o j e c t si nt h ef u t u r e k e y w o r d ：l o n g - s p a nc o n t i n u o u sr i g i d f l a m eb r i d g e ：t e m p r e t u r ef i l e d ； t e m p r e t u r es t r e s s ；a n a l y s et h ec a u s e so fc r a c k s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n da n a l y s i s i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外，论文中不包含 其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：盈垃日期：望塑盔曼叠哆 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印和其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并 向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生。签名) ：丝新( 签名) ：幽期：巡盟蜴 武汉理t 大学硕十学位论文 第1 章概论 1 1 大体积混凝土的定义 大体积混凝土的定义：一般认为体积很大的现场浇筑的混凝土，其尺寸 大到必须采取措施以控制水泥水化热量及伴随发生的体积变化，尽量减少温度 裂缝。各种不同类型的大体积混凝土结构，由于所处环境的差异，对混凝土的 温控及防裂要求也不完全相同，但各类大体积混凝上的共同要求就是控制减少 裂缝。 对大体积混凝土的定义各国及组织也大同小异【2 1 ，如： ( 1 ) 国际预应力混凝土协会f i p 规定：凡是混凝土一次浇筑最小尺寸大于 0 6 m ，特别是水泥用量大于4 0 0 堙m 3 时，应考虑用水化放热慢的水泥或采取其 他降温散热措施。 ( 2 ) 美国混凝土协会a c i 对大体积混凝土的定义为：体积大到必须对水泥 的水化热及其带来的相应体积变化采取措施，才能尽量减少开裂的一类混凝土。 ( 3 ) 日本建筑学会标准j a s s a 规定：结构断面最小尺寸在8 0 c m 以上，水 化热引起的混凝土内最高温度与外界气温之差，预计超过2 5 o 。c 的混凝土，被 称为大体积混凝上。 ( 4 ) 前苏联规范中定义：当混凝土在施工期间被分为若干独立的混凝土构 件时，要确定单独构件在水化热作用下的温度问题的混凝土。 1 2 桥梁大体积混凝土的特点 近3 0 年来，我国的桥梁事业取得了飞速发展，修建了许多大跨度的桥梁。 随着跨度的不断增加，桥梁中的基础、锚碇、桥墩、承台、主塔、主梁衅梁段 等构件的体积相应亦增大。这些桥梁构件亦属于大体积混凝土的范畴，相应地 这些桥梁的构件就具有大体积混凝土的各种特点。 在桥梁中，基础和锚碇的设计强度较低，多采用低标号的水泥，单方混凝 土的水泥用量小，属于水工大体积混凝土一类；而桥墩、承台、主塔和主梁0 撑 武汉理工大学硕士学位论文 梁段的设计强度较高，多采用高标号的水泥，单方混凝土的水泥用量较多，属 于桥梁大体积混凝土一类。 桥梁大体积混凝土与水工大体积混凝土都属于大体积混凝土范畴【3 】，有着 大体积混凝土所共有的属性，如：( 1 ) 结构尺寸和体积庞大，混凝土用量巨大； ( 2 ) 对构件除平常的强度、刚度和稳定性有要求以外，还有整体性、防水性和 抗渗性等方面的要求；( 3 ) 受温度应力的影响比较明显，必须做好温控防裂措 施等。 但是，它们也有属于各自的特点。与水工大体积混凝土相比，桥梁大体积 混凝土有以下的特点：( 1 ) 单位体积的混凝土水泥用量较大，水泥水化产生的 热量较多，绝热温升较大，温度峰值较高，内外温差和温度梯度较大，升温和 降温的速度较快；( 2 ) 体积相对较小，部分结构为薄壁型结构，中心最高温度 位置距表面距离较小，受外界气温的影响更明显：( 3 ) 混凝土设计标号高，按 受力情况配筋且配筋率较高，其温度应力受钢筋的影响较明显。 1 3 大体积混凝土裂缝的类型以及形成的原因和影响因素 1 3 1 大体积混凝土裂缝的类型 1 ) 按裂缝的深度分类f 4 l ： ( 1 ) 表面裂缝混凝土表面出现的浅层裂缝。 ( 2 ) 深层裂缝裂缝延伸至部分结构断面。 ( 3 ) 贯穿裂缝裂缝延伸至整个结构断面，将结构分离。 2 ) 按裂缝开度的变化分类： ( 1 ) 死裂缝裂缝的宽度和长度不再变化。 ( 2 ) 活裂缝裂缝宽度随外界环境和荷载条件变化而变化，但其长度不 变或变化不大。 ( 3 ) 增长裂缝裂缝的宽度或长度随时间而增长。 3 ) 按裂缝产生的原因分类 ( 1 ) 干缩裂缝混凝土中水泥石的毛细管空隙，在干燥过程中失水，产生 毛细管张力，使混凝土产生体积收缩。混凝土发生收缩变形时，由于周围约束 的存在，使混凝土产生约束应力，如果这个应力超过混凝土的抗拉强度，混凝 2 武汉理工大学硕士学位论文 土就会产生收缩裂缝。 ( 2 ) 温度裂缝大体积混凝土浇筑后，由于水化热使混凝土温度升高，当 温升到达高峰后，由于环境温度较低，混凝土温度开始下降，在降温过程中混 凝土发生收缩：在约束条件下，当混凝土温降收缩变形大于极限拉伸变形时， 容易发生开裂，该种裂缝称之为温度裂缝。还有另外一种温度裂缝是由于混凝 土内外温差引起的。例如混凝土遭受寒潮侵袭，或在夏天混凝土遭受阳光暴晒 后突然下雨，都会使混凝土内部与表层产生很大温差；混凝土表层温度下降， 而内部温度基本不降，内部混凝土对表层混凝土起约束作用，也会导致温度裂 缝的发生。 ( 3 ) 碱一骨料反应裂缝碱骨料反应( a a r ) 有碱硅酸反应和碱碳酸盐反应 两种。水泥中的碱( n a ，d 、丘d ) 和骨料中的活性a 、微晶白云石，以及变 形石英等发生反应，生成吸水性很强的胶凝物质。当反应产物增加到一定数量， 且有充足水分时，就会在混凝土中产生较大的膨胀作用，导致混凝土开裂。这 种裂缝称为碱骨料反应裂缝。在裂缝中会伴有白色浸出物。这种裂缝常为地图 状分布。 1 3 2 大体积混凝土裂缝形成的原因 大体积混凝土常见的质量问题就是大体积的混凝土结构极易产生裂缝。开 裂主要与水化热、温差、混凝土收缩等因素有关，是由于混凝土的变形受到约 束而产生的。如果没有约束，则混凝土可以自由伸缩，就不会出现裂缝。与约 束有关的因素如下： ( 1 ) 水化热与约束的关烈5 j ：大体积混凝土在浇筑振捣以后，水泥开始产 生大量的水化热，由于混凝土表面散热的影响，混凝土中心温度向表面递减， 由温度的不同导致混凝土内外变形不统一，中心混凝土与边缘混凝土变形不一 致，因而产生温度应力。由所受约束的不相同而导致产生温度应力大小也不相 同。当混凝土的抗拉应力不能抵抗温度应力的作用时，结构就会开裂而产生由 温度应力引起的非荷载裂缝。 在全约束条件下，温度应力最大，最容易导致产生裂缝。在弹性约束条件 下，混凝土结构受到部分约束，处于既有应力又有变形的状态，应力相对较小， 结构有可能会产生裂缝。在完全没有约束的自由条件下，结构成为自由体，结 构变形等于结构的自由变形，无约束变形，温度应力为零，结构自由伸缩，就 3 武汉理t 大学硕士学位论文 不会产生裂缝。 然而，关键的问题是对约束的认识，除了上述外部约束之外，还有内部约 束。由于内外温度不同，相同体积的内、外混凝土的变形是不一致的，内部变 形大，外部变形小，变形小的外部混凝土成为内部混凝土的约束。当外部混凝 土的抗拉应力不足于抵抗内部的变形应力时，就会产生裂缝。这就能解释大体 积混凝土表面在完全无外约束的条件下仍然会产生裂缝的现象。 ( 2 ) 地基和老混凝土与约束的关系：当混凝土浇筑在比较坚硬的基岩或老 混凝土上时，混凝土浇注初期的水化热升温，产生膨胀，受到岩石或老混凝土 的约束，将产生较小的压应力。这是因为早龄期混凝土的弹性模量小，还处在 塑性状态的缘故，所以，当后期出现较小的温降时，即可将压应力抵消。而当 混凝土温度继续下降时，由于基岩或老混凝土对温降引起的收缩变形约束的结 果，混凝土块内将出现较大的拉应力，但混凝土块由最高温度降至施工期准稳 定温度场，需要经历很长的时间，混凝土的强度和弹性模量在一定时间内，都 会随着龄期而增长，只要对基础块混凝土进行适当的温度控制，凭借混凝土本 身的抗拉强度，是可以防止开裂的。 在这种约束当中，比较危险的情况是：当基础块混凝土，在早龄期遇到气 温骤降，在混凝土块表层，首先出现表面裂缝，而在后期混凝土块继续降温过 程中产生的拉应力，使表面裂缝不断向纵深发展，因而形成破坏性的深层裂缝 或贯穿裂缝。 ( 3 ) 温差与约束的关系：在施工期间，外界气温的突然下降会引起混凝土 开裂。因为，外界气温下降越多，则内外温差越大，温差越大，相应的温度应 力就越大。更本质地说，由于温差大，外部混凝土与中心混凝土的变形差变得 更大，变形差越大，结构所承受的变形应力就越大，当应力差出现负值时，结 构就会出现裂缝。在实际工程中，常采用多种方法使混凝土表面保温，尽量减 小内外温差，从而减少变形差，变形差小了，则外部混凝土对内部混凝土的约 束也就小了。外部混凝土对内部混凝土的变形约束d , n 足以让内部混凝土充分 的伸缩时外部混凝土不会开裂。 ( 4 ) 混凝土收缩与约束的关系：混凝土的收缩，也是产生裂缝的重要原因。 由于对混凝土各项性能的特殊要求，实际所需拌合水比水泥水化所需的水要多 得多。拌合水中只有约2 0 的水是水泥水化所必须的，其余的都要被蒸发掉。 水分蒸发之后，引起混凝土收缩，当收缩受到约束时，则产生收缩应力，当收 4 武汉理工大学硕士学位论文 缩应力大于当时混凝土的抗拉应力时，则裂缝随之产生。 混凝土收缩的约束也有外约束和内约束。外约束来自于接触面，内约束来 自于变形差，然而收缩的内约束与温差的内约束是不同的。温差的内约束是外 部混凝土对内部混凝上的变形约束，收缩的内约束是凝固后的混凝土骨架对本 身收缩变形的约束，一般情况下，混凝土的凝固速度大于混凝土结构内的水分 蒸发速度，当凝固后的混凝土不断蒸发水分时，混凝土也不断收缩，当收缩应 力大于混凝土本身的极限抗拉能力时，那么结构相应的就会出现收缩裂缝。 为了使水泥的硬化速度尽量与水分的蒸发速度相匹配，施工中常采用缓凝 剂，缓凝剂能有效的使混凝土在完全硬化定型之前蒸发掉多余的水分，混凝土 在收缩时不再受到强烈约束。同时，缓凝剂能推迟水化热峰值的到来，达到降 低水化热的目的。 1 3 3 大体积混凝土几种裂缝之间的联系 大体积混凝土中的裂缝主要有三种，表面裂缝、深层裂缝和贯穿裂缝。其 中，表面裂缝不可能完全避免，但要做到尽量减少和及时采取必要的补救措施。 而后两种裂缝则要尽量避免，在设计和施工中，要着重预防。 混凝土的表面裂缝是其它裂缝产生的充分条件。其产生的原因是混凝土在 收缩变形和混凝土自身的非线形温度场约束，或者由于气温骤降，引起混凝土 表面很大的降温和很陡的温度梯度，表层混凝土受内部混凝的约束，而产生 温度应力，当混凝土的温度应力大于同龄期的抗拉强度时，就会产生表面裂缝。 大体积混凝土表面裂缝的形成与发展，与混凝土的浇筑温度、极限强度、 浇筑质量、龄期、外界气温、边界条件、施工过程中所处的地理位置、拆模时 间和结构尺寸等因素有关吲。一般情况下，在大体积混凝土中，由气温骤降引 起的温度应力与抗裂能力是主要矛盾。当混凝土的强度和浇筑质量较差，混凝 土的抗裂能力不能保证时，主要矛盾是混凝土的抗拉能力。当混凝土的抗拉能 力得到保证时，矛盾的主要方面就转化为气温骤降引起的温度应力。但是，在 某些特殊条件下，其它的一些因素也可能转化为主要矛盾。 表面裂缝发展的另一种形式就是演变为深层裂缝。当表面裂缝形成以后， 对裂缝没有采取有效的补救措施，表面裂缝仍然长期暴露在外时，如果混凝土 的中心温度太高，由于内部混凝土快速持续降温，就会形成一种非线形温度场， 混凝土各部分之间变形不一致而变成一种约束，就将产生温度应力。这种温度 5 武汉理工人学硕士学位论文 应力在表面裂缝端部形成应力集中，使表面现象裂缝向纵深发展，如果这些裂 缝是在接近约束区，可使贯穿裂缝向约束区以上发展；如果这些表面裂缝是出 现在脱离约束区较远的部位时，表面裂缝则将发展成为深层裂缝。所以，防止 裂缝首要的就是防止表面裂缝，特别是基础部位、上游迎水面和其它结构应力 集中的部位。 表面裂缝如果不受其它因素的影响，一般不会发展成为深层裂缝和贯穿裂 缝。贯穿裂缝产生的主要原因是，由于混凝土浇筑温度过高，加上混凝土水化 热温升，形成混凝土的最高温度。当降到施工期的最低温度时，即产生温差， 这种由于降温产生的温度应力，当其大于同龄期混凝土的抗拉强度时就会产生 裂缝，这种裂缝是混凝土变形受外界约束而发生的，所以它的整个断面均受拉 应力，一旦发生，就会形成贯穿性裂缝。 老混凝土的约束产生的贯穿裂缝，在施工中由于某些特殊原因，结构混凝 土块浇注到某一高程时被迫停浇，经过一段时间或一个冬季后再继续浇注，这 样原来浇筑的混凝土块就成为老混凝土，老混凝土的弹性模量已很高，接近于 稳定值，内部温度己下降，对新浇筑的上层混凝土将产生很大的约束力。当上 层浇注的混凝土降温时，产生的温度应力超过混凝土的抗拉强度时，就可能出 现裂缝，如果上层又有表面裂缝，就更可能产生深层甚至是贯穿性裂缝。 深层及贯穿裂缝的危害性较大，它不但引起应力的重分布，改变了结构的 受力条件，而且使结构的整体性、稳定性、渗透性、耐久性受到严重的影响， 且也会使钢筋混凝土的钢筋暴露于外界，加速其腐蚀作用，进而更加改变结构 的受力。因此，贯穿裂缝要从源头上制止，杜绝其产生的条件，做到有备无患。 1 3 。4 大体积混凝土产生裂缝的影响因素 大体积混凝土产生裂缝的影响因素和裂缝形成的原因有着直接的联系。因 此，追寻其产生的原因，可知有哪些影响因素会使大体积混凝土产生裂缝。大 体积混凝土在施工阶段所产生的裂缝，是其内部矛盾发展的结果。实质就是约 束与反约束的关系，当约束的量小于反约束的量时，不可避免的就会产生各种 温度裂缝。因此，如何控制约束和反约束的关系是重点。 大体积混凝土产生裂缝，一方面是混凝土由于内外温差而产生应变和应力， 另一方面是由于结构物的外部约束和混凝土各质点问的约束，而产生的应变和 应力。一旦温度应力超过混凝土的抗拉应力时，就会出现温度裂缝。温度裂缝 6 武汉理工大学硕士学位论文 的产生主要有以下几个影响因素： ( 1 ) 水泥的水化热。这是最主要的影响因素。在大体积混凝土中，水泥在 水化过程中要散发一定的热量，由于断面较厚，水泥散发的热量聚集在结构内 部不易散失，因而会导致混凝土内部温度持续的上升。水泥水化热引起的温度 变化与混凝土的配合比有关，如水泥和粉煤灰的用量，单位体积水泥水化放热 量，随混凝土的龄期按指数关系增长，一般在1 5 3 天达到最高温度。 由于混凝土的导热性能差，浇注初期强度和刚度都较小，对水化热引起的 急剧温升而产生的变形约束不大，相应的温度应力也较小。而随着龄期的增长， 弹性模量的增高，对混凝土内部降温收缩的约束也愈来愈大，以至产生了很大 的拉应力。当混凝土抗拉强度不足以抵抗这种拉应力时，便开始出现温度裂缝。 ( 2 ) 外界气温。在大体积混凝土施工中，由于受温差控制的影响，表面温 度和由水化热引起的中心温度是相对统一的。外界气温愈高，混凝土浇注的温 度也就高，相应地就会增加结构的中心温度。当外界气温下降时，特别是气温 突然下降时，会大大增大混凝土的内外温差和温度梯度，因变形差更大，从而 就会产生更大的温度应力，这对大体积混凝土的施工极为不利。因此，在气温 变化幅度较大时，通常都采用养护措施以保证温差在控制范围内，以达到控制 温度裂缝的目的。 ( 3 ) 混凝土收缩【7 】。混凝土中含有大量空隙、粗孔隙及毛细孔，孔隙中存 在水分，而水分的活动将影响到混凝土的一系列性质，这种由于湿度变形引起 的收缩与裂缝的产生有很大关系。实际工程中，混凝土的收缩主要是由其温差 造成的，因此，在计算只需采用修正系数的方式就能达到需要的精度。 ( 4 ) 约束条件。结构在变形变化中，必然会受到一定的约束或抑制，阻 碍其变形。只要弄清楚变形与约束的辩证关系，就能采取必要的措施达到阻止 产生裂缝的目的。约束种类可概括为两类，外约束和内约束。外约束是指结构 的边界条件，一般指支座或其它外界因素对结构物变形的约束。内约束是指大 断面的结构，由于内部非均匀的温度及收缩分布，各质点变形不均匀而产生的 相互约束。具有大断面的结构，其变形还可能受到其他物体的宏观约束，同样 会产生应力。 ( 5 ) 徐变性质【。结构物在任意内应力作用下，除瞬时弹性变形外，其变 形值随时间的增加的现象称为徐变，结构物的最终变形由弹性变形和徐变变形 两部分组成，徐变变形也会导致结构的开裂。当结构随某一固定约束变形时， 7 武汉理工大学硕士学位论文 由于徐变性质，其约束应力将随时间下降，称之为应力松弛。徐变引起的应力 松弛有其不利的一面，如随时间变化的变形荷载可以引起异号应力，在压应力 区引起的拉应力特别是当降温速度大于升温速度时，更容易引起开裂。 1 4 桥梁大体积混凝土结构的裂缝研究和控制现状 近几十年来，基础、桥梁、隧道衬砌以及其他构件尺寸并不很大的结构混 凝土开裂现象增多，同时发现干燥收缩通常在这里并不重要了，水化热及温度 变化已经成为引起素混凝土与钢筋混凝土约束应力和开裂的主导原因。自2 0 世 纪6 0 年代后期，人们开始研究受约束时热变形引起的应力，并将它与初龄混凝 土抗拉强度的增长相比较。1 9 6 9 年，德国幕尼黑大学建筑材料学院开发出第一 台有关的实验设备，即开裂构架，使模拟试验得以进行。初龄混凝土随温度变 化产生应力的测定使人们深刻地认识到：当混凝土构件发生的膨胀或收缩变形 受到阻碍时会转化为应力。慕尼黑温度一应力试验机( 1 9 8 4 ) 和其他几个研究 院所开发出类似的仪器，可用于测定任意约束条件下产生的应力。近年来，许 多研究者根据材料的性质、水化热的发展、刚度的增大与松弛能力的减小、抗 拉强度的增长、热膨胀系数与化学反应对变形的影响致力于早期约束应力的计 算，以确定出现开裂的危险性。这些因素主要取决龄期、温度、水泥类型和混 凝土拌合物的组成。实际上，只有可能大致估计这些因素的作用。然而，在用 有限元软件建立近似材料性质的模型方面，已经有了很大进展。这样的模型需 要假设现场的约束和温度条件。日本和法国开发出在现场测定约束应力的新方 法，实验室与现场的试验结果和计算结果比较，是该领域进一步发展的来源。 近年来，高强混凝土已被证明是对早期开裂非常敏感的材料。这不仅是水化热 的结果，由于白干燥作用产生的自收缩和硫酸盐相的化学反应，可能也是重要 起因。结构混凝土或大体积混凝土意外地出现开裂，不能总是归因于现场工程 师缺乏经验，该领域里许多问题尚缺乏了解，激发全世界许多人去进一步开展 研究。1 9 8 9 年，r i l e m 创建了“避免混凝土早期热裂缝”技术委员会t c1 1 9 ， 为了交流这方面的经验和观点，以提交现状报告为宗旨，并对相关的试验方法 提出了一些建议。到1 9 9 4 年召开“避免混凝土早期热裂缝”国际研讨会时，许多 问题已经获得解决，并准备好付诸于应用。对于尚未解决的问题，也根据实验 结果或者从理论角度提出建议。 8 武汉理工大学硕士学位论文 在桥梁的建设当中，对桥梁相应大体积混凝土部位的温控防裂只采取了少 量几项措施【8 i ，包括：混凝土浇筑时加冰、掺粉煤灰、加减水剂、缓凝剂和微 膨胀剂以及采用管水冷却。但这远远是不够的，大体积混凝土的温控应从材料 就开始做起，再加上合适的施工措施，才能达到避免非荷载裂缝的目的。通过 查寻资料及现场调查，特别是在冷却水管的设计上，管材、管径、埋设方式、 间距、通水温度、通水速率等都是凭经验，没有一套行之有效的方法可以解决 这些问题。 目前，对桥梁大体积混凝土的温度控制的研究还不是很多，在工程实践中， 很多概念、标准也不是很统一，这给施工及质量控制带来了一定的难度。目前， 桥梁工程界正在对这个问题做积极努力的探索，从材料、机理施工和监测等 各个方面进行研究。 1 5 本文的结构与研究内容 本文的结构和研究内容如下： 第l 章概论。本章阐述了大体积混凝土的定义，桥梁大体积混凝土与水 工大体积混凝土的共同性质和各自的特点，温度裂缝形成的原因及影响因素， 以及桥梁大体积混凝土在国内外的研究现状。 第2 章混凝土材料的性能参数及大体积混凝土温度场的计算。本章介绍 了混凝土材料在水化过程之中的各种参数的计算方法以及大体积混凝土温度场 与温度应力的基本计算方法和计算公式，还简要说明了在实际工程温控中的手 算的方法。 第3 章罗天乐大桥施工期间非荷载裂缝的成因分析。本章根据实际监测 的数据来分析该皑梁段在水化期间所产生的温度变化情况和由于水化热所引起 的温度应力以及原有构件对新浇筑的第二浇筑层所产生的收缩应力情况，找出 了该钟梁段所产生裂缝的原因。 第4 章用m i d a s 对罗天乐皑梁段施工期间的水化热模拟分析。本章用大 型有限元软件m i d a s 对罗天乐大桥的o j f i 梁段进行施工模拟分析，计算出的温度 和温度、收缩应力与实际监测的数据进行对比分析，以期检验有限元软件对大 体积混凝土在施工之前模拟分析的实际效果。 第5 章结论与展望。本章对全文作一个简单的总结，得出一些认识和结 论，对需进一步研究的内容提出了自己的见解1 9 武汉理工人学硕士学位论文 第2 章混凝土温度场和温度应力的理论计算公式 要研究混凝土在水化期间所产生的温度变化情况以及温度应力必须知道混 凝土在水化过程之中其强度和弹性模量随水化进程的发展情况，以及混凝土构 件在水化过程之中的各个影响因素和参数，只有在详细掌握这些资料的前提之 下，才能对大体积混凝土在水化过程之中所产生的温度变化情况以及温度应力 进行精确的计算和研究。 2 1 混凝土的抗压强度以及抗拉强度和抗压强度的关系 混凝土早期的抗压强度和弹性模量随混凝土水化反应的发展而逐渐发展的 规律，是研究混凝土早期温度应力和温度裂缝必须要经历的环节；同时对于混 凝土施工技术来说，混凝土的早期强度也是拆模的主要技术依据数据。因而推 算混凝土早期强度和弹性模量随龄期发展的规律，就成为研究混凝土温度应力 和混凝土施工中的一个重要环节。 混凝土的强度随龄期的变化关系在许多文献中提出了计算公式，本文选取 三种常用的公式进行了比较。这三种公式是在大量试验的基础之上所建立起来 的，而以试验数据为基础所建立的混凝土强度随龄期变化关系的计算公式，一 般可用范围为3 一 2 8 天，而混凝土的温度裂缝一般也就是在水化热达到最大的 时候发生的，一般也就是在3 1 0 内所产生，所以这些公式只要和自己的实际 工程所相符，一般是可以满足工程计算的需要的。由于一般混凝土结构的温度 裂缝很少在3 天以前出现，所以对于3 天以前的混凝土的强度计算仅仅可以作 为一个参考值，不必要求那么精确，所以本文欲采用余宗明教授所提出的三次 幂函数公式来推算3 天以前的混凝土的强度。 2 1 13 天以前混凝土的抗压强度计算公式 从混凝土开始浇筑到浇筑后第三天的这个期间，混凝土抗压强度的发展变 化受很多因素的影响，所以对于每个实际工程，三天之前的混凝土抗压强度很 难有一个统计的规律可循，而混凝土的温度裂缝一般也是在3 天之后出现的， l o 武汉理工大学硕士学位论文 所以三天之前的混凝土的抗压强度，可以作为分析、研究大体积混凝土温度应 力、裂缝的一个参考值，而不必要求的那么精确。本文采用余宗明教授所提出 的三次幂函数公式【9 1 来推算三天以前的混凝土的强度。 r r = a t 3 + b t 2 + c t ( 2 1 ) 而其中的参数a 、b 、c 通过下面的三联立方程式来求得即可。 f 4 9 a + 7 b + c = 马7 1 9 6 口+ 1 4 b + c ：r ，。1 4 ( 2 - 2 ) 【7 8 4 a + 2 8 b + c ：五2 8 式中：r 7 、又，4 、蹙。分别代表混凝土第7 天、1 4 天、2 8 天的抗压强度值。 解上述三联立方程式即可得到a 、b 、c 的数值，把该三个值代入公式( 2 - 1 ) 即 可求相应的混凝土的抗拉强度公式。 2 1 23 - 1 0 天期间混凝土的抗压强度计算公式 ( 1 ) 按照c e b 一肿m c 9 0 t 1 0 i 中，混凝土抗压强度随龄期增长的计算式为： f c ( t ) = b c f 。= e s o - 2 4 面1 丘( 2 8 ) ( 2 - 3 ) 式中：s 取决于水泥种类，普通水泥和快硬水泥取为o 2 5 ，快硬高强水泥取 为0 2 0 。而本文所研究的工程实例所采用的水泥为快硬高强水泥，所以s 取值 为o 2 0 。 ( 2 ) a c l 2 0 9 的双曲线公式f l ： 丘( f ) 2 志丘( 2 8 ) ( 2 - 4 ) 式中：a 、b 的值可通过混凝土试块的试验数据而求得。 ( 3 ) 朱伯芳院士的经验公式【1 2 1 为： r ( f ) = r c 2 8 【l + m i n ( t 2 8 ) 】 ( 2 5 ) 式中：疋( f ) 一龄期为t 时的混凝土抗压强度；r ：。一龄期为2 8 天混凝土的 抗压强度：t 一为龄期；m 一为系数，与水泥品种有关，根据中国水利水电科学 院试验结果( t = 3 - - - 3 6 5 d ) ，m 的取值如下： 矿渣硅酸盐水泥：m = 0 2 4 7 1 ； 普通硅酸盐水泥：m = o 1 7 2 7 ； 普通硅酸盐水泥掺粉煤灰：m = o 1 2 6 5 。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 3 混凝土强度公式的对比研究 本论文研究的工程实例中施工单位对所采用的混凝土分别做了3 d 、5 d 、 7 d 、1 4 d 、2 8 d 的强度，其值如下表所示： 表2 - 1 混凝土的抗压强度表 时间( d )3d5 d7 d1 4 d2 8d 强度( m p a )4 9 4 05 3 0 65 5 2 06 1 9 06 7 8 0 ( 1 ) 利用模式规范c e b - f i pm c 9 0 中丘( f ) = b c 五= e , o - , 2 s b 以( 2 8 ) 计算的 混凝土强度和实测混凝土抗压强度对比值如下表所示： 表2 2 第一种计算公式计算的混凝土强度和实测强度的对比值 时间( d )3d5 d7 d1 4 d2 8d 计算强度( m p a )4 4 9 55 1 5 95 5 5 l6 2 4 16 7 8 0 实测强度( m p a )4 9 4 05 3 0 65 5 2 06 1 9 06 7 8 0 绝对差值 4 4 5 1 4 70 3 lo 5 l 0 ( 2 ) 利用a c l 2 0 9 的双曲线公式丘( f ) = l ( 2 8 ) 计算的混凝土强度和实 a + d t 测混凝土抗压强度对比值如下表所示： 表2 3 第二种计算公式计算的混凝土强度和实测强度的对比值 时间( d )3d5 d7 d1 4 d2 8d 计算强度( m p a ) 4 5 2 l5 2 0 6 5 5 8 9 6 3 1 06 7 8 0 实测强度( m p a )4 9 4 05 3 0 65 5 2 06 1 9 06 7 8 0 绝对差值 0 8 l1 o o0 7 91 2 0o ( 3 ) 利用朱伯芳的经验公式r ( f ) = r c ：8 【1 + o 1 2 6 5xm l n ( t 2 8 ) 】计算的混凝 土强度和实测混凝土抗压强度对比值如下表所示： 表2 - 4 第三种计算公式计算的混凝土强度和实测强度的对比值 时间( d )3d5d7 d1 4 d 2 8d 计算强度( m p a )4 8 7 25 3 0 85 5 9 56 1 8 96 7 8 0 1 2 续上表3 4 武汉理工大学硕士学位论文 实测强度( m p a )4 9 4 05 3 0 65 5 2 06 1 9 06 7 8 0 绝对差值0 6 80 0 2o 7 5o o lo 从以上利用三种常用公式计算出的混凝土抗压强度的计算值与实测值之间 的对比，可以很明显的看出，这三种常用的计算混