U形槽混凝土挡墙应力应变测试分析.docx
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U形槽混凝土挡墙应力应变测试分析
U形槽混凝土挡墙应力、应变测试分析
温新亮
(中铁隧道集团二处有限公司河北三河065201)
摘要:
针对龙厦铁路DK35+607~DK36+028段U形槽混凝土挡墙出现开裂问题,通过采用埋入式混凝土应变计进行量测混凝土应变,得到混凝土挡墙内部应力应变的实际数据,对数据进行分析,得出混凝土内部应力应变分布规律及随时间的变化规律,分析计算出混凝土挡墙可能开裂区域的部位、时间及原因,提出控制变形开裂的措施,可为类似工程的施工提供一定的借鉴。
关键词:
U形槽混凝土挡墙开裂应力、应变测试分析埋入式应变计
ThetestandanalysisofstressandstrainonconcreteretainingwallofU-shapedslot
XinliangWen
(Thesecondconstructiondivisionco.,LTD.Ofchinarailwaytunnelgroup,HebeiSanhe,065201)
Abstract:
InviewofthecrackproblemintheconcreteretainingwallofU-shapedslotfromDK35+607toDK36+028sectionoftheLongxiarailway,theinternalstressandstraindataofconcreteretainingwallshouldbeobtainedandanalyzedbytheembedded-typestraingauges.Accordingtothedata,theauthorconcludedthelawofstress-straindistributionoftheinternalconcreteandstress-strainchangeswithtime.Inaddition,thepaperalsoanalyzedandcalculatedthemoment,causeandlocationthatmaybecracked.Thenthemeasuretocontrolthedeformationandcrackcanbeproposed,itprovidingareferencefortheconstructionofsimilarprojects.
Keywords:
concreteretainingwallofU-shapedslot;crack;stress-straintests;analyses;embedded-typestraingauges
0引言
现浇混凝土结构早期开裂是当前建筑工程中的一个普遍问题。
早期裂缝往往成为后期宏观裂缝的源头,裂缝的出现除降低混凝土结构承载能力外,还为水和有害介质侵入结构内部提供了通道,从而在很大程度上劣化了混凝土工程的抗渗性、耐久性甚至危及其安全性[1,4]。
近年来,混凝土早期裂缝的成因和控制研究越来越受到人们的关注[4~11],并取得了较多的研究成果,但结构物混凝土早期变形、开裂随龄期的变化以及分布规律并不多见。
本文通过现场实测对混凝土早期应变随龄期的变化及分布规律进行了深入研究,在此基础上对结构物早期可能开裂的时段、区域进行了研究。
1工程概况
龙厦铁路DK35+607~36+028段设计为U形槽混凝土挡墙。
U形槽边墙高8.0m,顶宽1.3m,底板厚1.5m(如图1所示)为钢筋混凝土结构,设计混凝土强度等级为C30,挡墙外侧布置的受力主筋为直径28mm的HRB335钢筋,边墙内侧布置的架立钢筋为直径12mm的HPB235钢筋,保护层厚30mm。
U形槽分段浇注,每段长10m,各分段间设2cm宽伸缩缝。
在U形槽施工过程中混凝土出现开裂现象,为掌握U形槽混凝土应力、应变的分布规律,分析边墙开裂的原因,提出预防混凝土开裂的措施,从而为后续施工提供指导。
特在U形槽边墙内选择代表性测试断面进行混凝土应变的测试。
图1测试元器件布置图(单位:
cm)
Fig.1Collocationmapofmeasuringapparatus
2测试概况
2.1测试方法
混凝土应变采用埋入式混凝土应变计和频率读数仪进行量测。
2.2测试断面及测点布设
U形槽测试段里程为DK35+718~DK35+728。
在测试区段布置两个测试断面,一个布置在水平方向,测点距U形槽底板1.0m,测点间距1.0m;另一个测试断面测点沿竖向布置,断面布置在U形槽测试段中心线上(断面里程DK35+723)。
测点布置如图1所示,测试混凝土水平应变,应变计埋入内侧表面下深25~28cm,混凝土灌注结束(测试零点)随即进行测试。
2.3现场测试情况
测试区域U形槽边墙混凝土灌注结束后随即进行测试,第1天读数6次,2~3天每天读数4次,4~10天每天读数3次,11~20天每天读数1次,其后每天读数1次。
3测试结果
根据现场测试结果作出各测点混凝土应变随时间的变化图。
为便于表示各传感器的位置和数据分析处理的方便,建立如图1所示的坐标系(以竖向测试断面为Y轴;U形槽底板顶面为X轴,X轴正向指向小里程方向)。
4测试数据分析与处理
4.1混凝土应变随时间的变化规律
各测点应变随时间的变化混凝土应变的变化对数据进行统计后大致可分为四个阶段:
(1)压应产生及增长阶段(图2中AB段);
(2)应变急剧上升阶段(图2中BC段);(3)应变下降阶段(图2中CD段);(4)应变稳定阶段(图2中D点以后)。
图2混凝土早期应变历时曲线
Fig.2Durationcurveofconcretestraininearlyage
(1)压应变产生及增长阶段(图2之AB段)
该阶段出现于混凝土灌注之初,表现特征为混凝土压应力急剧上升。
各测点在混凝土灌注结束后的压应变持续时间及最大压应变见表1、2。
表1各测点混凝土灌注结束后压应变持续时间及最大压应变
Table1Themaximumcompressivestrainanddurationofthecompressivestrainaboutthemeasuringpointsafterthepouringofconcrete
测点X座标(m)
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
混凝土灌注结束后的
压应变持续时间(h)
0
10
16
24
17
20
15
16
7
最大压应变出现时间(h)
0
4
9
9
7
8
6
4
2
最大压应变(με)
0
4
32
64
22
35
20
22
12
表2竖向各测点混凝土灌注结束后压应变持续时间及最大压应变
Table2Themaximumcompressivestrainanddurationofthecompressivestrainaboutthemeasuringpointinthevrticaldirectionafterpouringofconcrete
测点Y座标(m)
1
1.6
2.4
3.6
5.1
6.6
混凝土灌注结束后的
压应变持续时间(h)
17
16
初期数据波动较大
0
5
异常
最大压应变出现时间(h)
7
9
0
4
最大压应变(με)
22
15
0
6
由表1、2及可看出:
①边墙两侧及中上部的压应变较小或压应变为0,纵向的中间(X=-2~3)区域、竖向的中下部(Y<3.6m)区域最大压应变较大,其中X=-1处最大(最大压应变达64με);
②U形槽中下部的压应变持续时间为混凝土灌注结束后15~24小时,最大压应变及压应变持续时间总体呈现出由两端向中间、由上向下逐渐增大的趋势;
③压应变产生及增长阶段(图2中AB段)在U形槽中下部的终止时间为混凝土灌注结束后6~9小时。
压应变的产生是由于灌注初期混凝土膨胀引起的,由于边墙两侧及中上部的约束相对较弱,膨胀空间相对较大,所以压应变较小。
压应变的大小间接反映了边墙上各区域所受约束的强弱。
(2)应变急剧上升阶段(图2之BC段)
混凝土的压应变达到最大值后随即快速减少并进入纵向拉伸阶段,拉应变急剧增大至最大拉应变。
该阶段内拉应变的增速呈现初期比后期快的规律(如图2所示)。
混凝土灌注结束初期各测点最大拉应变出现的时间见表3、4。
表3各测点混凝土灌注结束初期最大拉应变及其出现时间
Table3Theexistingtimeandthemaximumvalueofthetensilestrainaboutthemeasuringpointsintheearlydaysafterthepouringofconcrete
测点X座标(m)
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
混凝土注
结束初期
最大拉应变出现时间(h)
51
52
60
75
36
36
36
52
60
最大拉应变(με)
69
63
45
19
56
43
53
34
50
表4竖向各测点混凝土灌注结束初期最大拉应变及其出现时间
Table3Theexistingtimeandthemaximumvalueofthetensilestrainaboutthemeasuringpointsintheverticaldirectionintheearlydaysafterthepouringofconcrete
测点Y座标(m)
1
1.6
2.4
3.6
5.1
6.6
混凝土注
结束初期
最大拉应变出现时间(h)
36
32
初期数据波动较大
32
32
异常
最大拉应变(με)
56
53
116
66
由表3、4可看出:
混凝土的最大拉应变出现时间大多在混凝土灌注结束后的32~75小时,不同位置的最大拉应变值差别较大。
(3)应变缓慢下降阶段(图2之CD段)
混凝土的拉应变达到初期的最大拉应变后开始逐渐下降。
各测点在该阶段的持续时间见表5、6。
表5各测点混凝土应变缓慢下降阶段的持续时间
Table5Thedurationthattheconcretestrainfallswithaslowspeedatthemeasuringpoints
测点X座标(m)
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
拉
应
变
下
降
阶
段
起始时间(h)
51
52
60
75
36
36
36
52
60
起始应变(με)
69
63
45
21
56
43
53
34
50
终止时间(h)
224
224
224
不
明显
224
248
224
200
不
明显
终止应变(με)
35
25
5
5
2
25
-2
持续时间(h)
173
172
164
--
188
212
188
148
--
应变降低值(με)
34
38
40
--
51
41
28
36
--
表6竖向各测点混凝土应变缓慢下降阶段的持续时间
Table6Thedurationthattheconcretestrainfallswithaslowspeedattheverticalmeasuringpoints
测点Y座标(m)
1
1.6
2.4
3.6
5.1
6.6
拉
应
变
下
降
阶
段
起始时间(h)
36
32
无
明显
下降
阶段
32
32
异
常
起始应变(με)
56
53
116
66
终止时间(h)
248
248
152
152
终止应变(με)
2
2
18
5
持续时间(h)
212
216
120
120
应变降低值(με)
54
51
98
61
由表6、7可看出:
大多数测点在拉应变达到最大拉应变后都有一个较明显的拉应变下降阶段,该阶段终止时间大约为混凝土灌注结束后的8~10天;该阶段混凝土拉应变大体下降30~60με。
(4)应变稳定阶段(图2之D点以后)
混凝土灌注结束8~10天后其应变达到总体基本稳定的阶段。
进入该阶段后,混凝土的应变总体变化不大,应变的波动主要随环境温度变化。
4.2可能开裂区域分析
4.2.1拉应变超过开裂极限应变的点
由数据分析可看出:
混凝土最大应变大多出现于混凝土灌注初期的2~3天内。
由于混凝土灌注初期,其弹性模量变化较大且其是否处于弹性状态、何时开始处于弹性状态尚不能确定,为此,对混凝土开裂分析时主要根据其应变是否大于相应时间的开裂极限应变。
即当满足下式时,认为混凝土开裂。
εt>εp(t)
(1)
式中:
εt——混凝土任意时刻t的拉应变;
εp(t)——混凝土任意时刻t的极限拉应变。
根据相关资料,混凝土任意时刻t的极限拉应变εp(t)的计算公式如下:
(2)
式中:
εp(t)——混凝土任意时刻t的极限拉应变。
εp0——混凝土28天龄期的极限拉应变。
C30混凝土28天龄期的极限拉伸应变εp0=0.9×10-4。
根据相关资料介绍,考虑低拉力区的“模箍效应”,乘以1.7的系数。
测试元器件布置在U形槽的内侧,在横断面上U形槽内侧主要承受压应力,可将内侧的极限拉应变乘以1.7的系数。
因此,就U型槽内侧而言,其任意时间t的极限拉应变的计算式为:
(με)(3)
根据各测点的实测应变及上述任意时间t的极限拉应变的计算式(3)作出U形槽测试期间应变(极限拉应变)随时间的变化关系。
根据现场所测数据,下表所列测点的拉应变均大于对应时刻的极限拉应变,达到了开裂的条件。
表7实测应变超过极限应变的测点统计
Table7Thestatisticsofthemeasuredstrainovertheutmoststrain
方向
纵向(水平方向)
竖向
座标(m)
X=-4,Y=1.0
X=0,Y=1.0
X=0,Y=1.6
X=0,Y=3.6
X=0,Y=5.1
4.2.2收缩变形较大的点
混凝土的收缩是引起其开裂的重要原因,因此,可在监测数据分析处理的基础上计算各测点混凝土的收缩应变,据以判断对应区域混凝土开裂可能性的大小。
4.1的分析表明,混凝土经历了压应变产生、增长阶段及其后的拉应变急剧增大阶段。
与此相对应的是混凝土经历了膨胀压缩及其后的收缩拉伸阶段。
混凝土灌注初期的最大收缩应变为其最大拉应变与压应变(为“-”)(或初期最小拉应变)之差,即:
εsmax=εdmax—εcmax(4)
式中:
εsmax—混凝土灌注结束初期最大收缩应变(με);
εdmax—混凝土灌注结束初期最大拉应变(με);
εdmax—混凝土灌注结束初期最大压应变(με);
根据表1~4的统计数据按式(4)计算出各测点在灌注结束初期的最大收缩应变,见表8、9。
表8各测点混凝土灌注结束初期最大收缩应变
Table8Themaximumcontractionstrainofthemeasuringpointsintheearlydaysafterthepouringofconcrete
测点X座标(m)
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
最大收缩应变(με)
44
67
77
83
88
78
73
56
62
表9竖向各测点混凝土灌注结束初期最大收缩应变
Table9Themaximumcontractionstrainoftheverticalmeasuringpointsintheearlydaysafterthepouringofconcrete
测点Y座标(m)
1
1.6
2.4
3.6
5.1
6.6
最大收缩应变(με)
88
68
初期数据波动较大
90
72
异常
由表8、9可看出:
测点X=0、±1、±2、Y=3.6、5.1附近混凝土收缩变形较大。
4.2.3应变差超过开裂极限应变的区域
相邻测点的应变差反映了两测点间混凝土不均匀变形的大小。
两个相距较近的点,如果不均匀变形(如收缩不均匀等)较大也将引起混凝土开裂。
纵向(水平方向)相邻测点的拉应变差反映了测点间混凝土不均匀拉伸的大小,不均匀拉伸如果超过了混凝土的极限拉应变也将引起混凝土开裂。
竖向各测点拉应变差反映了相邻测点间混凝土剪切变形的大小。
在各测点拉应变测试结果的基础上,作出相邻测点拉应变差随时间的变化关系。
纵向各测点拉应变差随时间变化的关系如图3、4、5所示。
B
A
图3相邻测点应变差随历时曲线图4横向相邻测点不同时间应变差
Fig.3DurationcurveondistributionofstraindifferenceFig.4Distributionofstraindifferenceinhorizontaldirectionatdifferenttime
D
E
C
图5竖向相邻测点不同时间应变差
Fig.5Distributionofstraindifferenceinverticaldirectionatdifferenttime
由图3可看出:
在X=0~-1(DK35+723~+724)之间相邻测点的拉应变差(图3中红线所示)已超过了混凝土极限拉应变。
由图4可看出:
从纵向(水平方向)来看X=0~-1(DK35+723~+724)之间相邻测点应变差在混凝土灌注结束初期的0.5天、1天、1.5天、2天均达最大(图4中红线A所示);而X=4(DK35+719)处在在混凝土灌注结束7天后也较大(图4中红线B所示)。
由图5可看出:
从竖向看U形槽的下部(Y=0~1m)、中部(Y=2.4~3.6m)及中上部(Y=5.1~6.6m及以上)相邻测点应变差较大(图5中C、D区域),但它们达到最大值的时间不一致。
下部、中上部区域在混凝土灌注结束后的2天内较大;中部区域在混凝土灌注结束后的2天内并未达到最大,而在混凝土灌注结束7天以后逐渐达到最大(如图5中E区域)。
这说明,U形槽的下部、中上部在混凝土灌注结束初期最有可能出现剪切裂纹。
5测试结论
通过对测试数据的分析处理可得如下主要结论。
(1)混凝土应变的变化大致可分为下图所示四个阶段:
①压应变产生及增长阶段;②应变急剧上升阶段;③应变下降阶段;④应变稳定阶段。
不同阶段的规律如下:
①U形槽边墙的中下部区域有较明显的压应变产生及增长阶段,该阶段的终止时间为混凝土灌注结束后6~9小时;边墙两侧及中上部区域的压应变较小或压应变为0,该阶段不明显。
②纵向(水平方向)的中部(中心线左、右2~3m)、竖向的中下部(底板顶面3.6m以下)区域最大压应变较大,其中DK35+724处最大(最大压应变达64με);上述区域的压应变持续时间为混凝土灌注结束后15~24小时;最大压应变及压应变持续时间总体呈现出由两端向中间、由上向下逐渐增大的规律。
③最大拉应变出现时间在混凝土灌注结束后1.5~3天,不同位置的最大拉应变差别较大,大多数测点的最大拉应变为40~70με。
④大多数测点拉应变达到最大值后都有一个较明显的下降阶段,该阶段终止时间为混凝土灌注结束后8~10天,拉应变大体下降30~60με。
⑤混凝土灌注结束8~10天后其应变达到总体基本稳定的阶段。
进入该阶段后,混凝土的应变总体变化不大,应变的波动幅度主要随环境温差而变。
(2)综合测点应变、最大收缩应变、相邻测点应变差的分析结果,将开裂可能性较大的区域列于表10。
表10可能开裂区域分析
Table10Theanalysisofthecrackareainfuture
区域
X=-3~-5
X=-1~0
X=1~2
X=3~5
拉应变
X=-4处拉应变超过极限拉应变
X=0处拉应变超过极限拉应变。
X=1、2处拉应变接近极限拉应变。
X=4处超过极限拉应变。
相邻测点应变差
水平向
较小
超过极限拉应变
接近极限拉应变
较大
竖向
底部及中上部混凝土灌注初期应变差最大。
最大收缩应变
水平向
较小
很大
较大
较小
竖向
底部及中上部混凝土灌注初期收缩应变大。
混凝土开裂可能性
大
很大
很大
较大
综合分析表明:
①在混凝土灌注初期,U形槽边墙中间附近的中下部最有可能开裂;其次,在U形槽两端的顶部、中上部出现裂纹的可能性也较大。
X=-1~0(DK35+723~+724)中下部区域的拉应变、应变差均超过极限拉应变,最大收缩应变也很大,该区域可能已开裂。
图7所示区域开裂可能性较大;图中红色区域的拉应变、应变差均已超过极限拉应变,最大收缩应变也很大,该区域可能已开裂。
②应变、应变差在竖向差异较大,U形槽边墙上的裂纹是在拉、剪共同作用下形成的,裂纹形态以斜裂纹为主。
大
较大
较大
很大
最大
图6开裂可能性大小分区图
Fig.6Distributionoftheprobabilityaboutcrackdistrict
(3)可能开裂区域的裂纹最可能在混凝土灌注结束后1~2天内开始产生。
(4)混凝土灌注结束后24小时拆模会使U形槽中下部(图7红、黄色区域)混凝土的拉应变出现较快增长,但对U形槽其它区域的拉应变没有明显影响。
(5)通过对现场56段U形槽边墙出现的裂缝及其分布特征进行统计,有46段出现了接近垂直的竖向裂纹,其中有45段(占90%)的裂纹出现在中心线两侧2m范围内,且延伸高度在底板以上3m内。
裂纹出现的位置与预测结果十分吻合。
说明本文提出的综合考虑混凝土早期拉应变、应变差、最大收缩应变的早期裂纹预测方法能较准确地预测可能开裂的区域。
6结语
减弱混凝土开裂的措施涉及混凝土材料、配合比、施工工艺等多方面的优化。
立足本测试在混凝土应变变化规律方面得出的结论,提出如下施工措施:
(1)加强混凝土灌
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