薄壁混凝土結(jié)構(gòu)槽型梁裂縫的研究討論

聶政飛　宋洋

摘? ?要：預(yù)應(yīng)力混凝土槽型梁是一種新型橋梁結(jié)構(gòu)，適用于公路、鐵路橋梁及城市軌道交通建設(shè)，槽型梁橋?qū)傧鲁惺介_口薄壁結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)階段，預(yù)應(yīng)力混凝土槽型梁應(yīng)用廣泛，在橋梁建設(shè)中，槽型梁的腹板常采用的是薄壁混凝土結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)體量小，可以節(jié)省成本且不失安全性。但同時，預(yù)應(yīng)力混凝土槽型梁采用的薄壁混凝土易產(chǎn)生裂縫，本文著重于對薄壁預(yù)應(yīng)力混凝土槽型梁的裂縫的現(xiàn)狀進(jìn)行討論分析。

關(guān)鍵詞：薄壁混凝土? 結(jié)構(gòu)? 槽型梁? 裂縫

中圖分類號：TU755? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）06（b）-0035-03

Abstract：Prestressed concrete channel beam is a new type of bridge structure， which is suitable for highway， railway bridge and urban rail transit construction. The channel beam bridge is a substructured open-thin wall structure. At this stage， prestressed concrete channel beams are widely used. In bridge construction， the webs of channel beams often use thin-wall concrete structures.This structure has a small volume， which can save costs without losing safety.At the same time， the thin-walled concrete used in the prestressed concrete channel beam is prone to cracks. This article focuses on the current situation of cracks in the thin-walled prestressed concrete channel beam.

Key Words：Thin-walled concrete;Structure;Trough beam;Crack

1? 引言

在現(xiàn)階段的橋梁施工中，大多數(shù)槽型梁工程底板和腹板采用的都是薄壁混凝土結(jié)構(gòu)，槽型梁腹板及底板均為薄壁混凝土結(jié)構(gòu)，在豎向荷載作用下，將產(chǎn)生縱向彎矩及橫向彎矩[1-2]。此時，槽型梁底板混凝土產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，而起橫向抗彎剛度較小，易出現(xiàn)縱向裂縫[2];槽型梁屬于開口下承式薄壁結(jié)構(gòu)，抗扭剛度較小，其腹板與底板結(jié)合處同時承受彎矩及扭矩，應(yīng)力集中較為明顯，該位置較易產(chǎn)生裂縫;槽型梁中鋼筋、預(yù)應(yīng)力筋分布較密，混凝土澆筑質(zhì)量不易保證，裂縫較易產(chǎn)生[3-4]。裴雪鋒[5]在對槽型梁裂縫研究中，對豎墻縱向的裂縫作了詳細(xì)的成因研究。王起才[6]等在應(yīng)用試驗方法對槽型梁的材料性能研究，得到了裂縫的分布，對研究槽型梁裂縫有很好的啟發(fā)。蘇超等[7]應(yīng)用理論和實際工程結(jié)合對混凝土裂縫的分析控制，很好的應(yīng)用在工程實際中。

2? 裂縫產(chǎn)生

薄壁混凝土槽型梁裂縫的產(chǎn)生有很多原因，施工時所處的溫度因素、混凝土的自身結(jié)構(gòu)因素、施工完成后的環(huán)境因素等都是裂縫產(chǎn)生的重要原因。下面，就以幾個方面進(jìn)行討論分析。

2.1 施工時的環(huán)境與溫度

在工程施工時，薄壁預(yù)應(yīng)力混凝土槽型梁會產(chǎn)生裂縫的主要原因就是施工時所處的環(huán)境與施工時的溫度。例如，在施工階段混凝土澆筑施工進(jìn)行時，混凝土中的水泥會因為遇水反應(yīng)而產(chǎn)生大量的熱量，也就是水化熱，這種反應(yīng)會導(dǎo)致混凝土本身內(nèi)部熱量聚集并且升溫，這樣就會產(chǎn)生此結(jié)構(gòu)內(nèi)部與外部的溫差比較大。在前期，因為混凝土內(nèi)部溫度高而產(chǎn)生膨脹特性，同時內(nèi)外導(dǎo)熱極差，產(chǎn)生的后果就是在澆筑混凝土完成后，混凝土內(nèi)部溫度驟變，由熱轉(zhuǎn)涼，由于混凝土的熱脹冷縮特性，使得后期混凝土內(nèi)部會產(chǎn)生收縮。這就造成了薄壁混凝土?xí)艿讲煌膽?yīng)力作用，會導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫。除了施工時的水化熱影響外，由于混凝土材料的熱脹冷縮，完成施工后的環(huán)境溫度也會使混凝土產(chǎn)生裂縫。例如年度溫差，由于一年四季會產(chǎn)生溫差，尤其是我國北方的環(huán)境，一年中，溫差極大，溫度的變化，一般會使橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生縱向位移[5]，若此時位移受限，薄壁混凝土結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生裂縫。

2.2 混凝土結(jié)構(gòu)收縮

隨著施工的完成，混凝土結(jié)構(gòu)中含水量會逐漸變小，同時混凝土體積隨之變小，這種情況就是干燥收縮，稱干縮;而在水泥本身材料的作用下，混凝土?xí)饾u硬化，體積隨之縮小，這種情況稱為凝縮;通常情況下，凝縮與干縮統(tǒng)稱為收縮?；炷猎谑┕ね瓿珊髸a(chǎn)生收縮現(xiàn)象，混凝土的收縮主要就是混凝土干縮，混凝土在成型過程中，外部混凝土?xí)紫雀稍锊⒅饾u向混凝土內(nèi)部發(fā)展。干燥過程中，水分蒸發(fā)，產(chǎn)生不同的溫度差，同時混凝土結(jié)構(gòu)縮小，且縮小程度不同，由此產(chǎn)生混凝土內(nèi)外部收縮大小不同，產(chǎn)生拉應(yīng)力，引發(fā)混凝土產(chǎn)生裂縫。除了混凝土的干縮與凝縮作用，混凝土保養(yǎng)不當(dāng)，例如露天暴曬、不及時養(yǎng)護、未成形使用等都會引起裂縫的產(chǎn)生。

2.3 凍脹因素

當(dāng)溫度在零度以下時，混凝土結(jié)構(gòu)會發(fā)生凍脹現(xiàn)象產(chǎn)生裂縫。環(huán)境溫度在零度以下時，混凝土內(nèi)部中的自由水會因為溫度轉(zhuǎn)化為冰，而由于水變冰會膨脹，所以混凝土內(nèi)部會產(chǎn)生膨脹應(yīng)力。同時，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部由于溫度原因使強度變低，此時在膨脹應(yīng)力的作用下，易產(chǎn)生裂縫。

3? 裂縫解決

橋梁建設(shè)中，薄壁混凝土槽型梁施工中裂縫產(chǎn)生因素極多，在現(xiàn)場施工時，應(yīng)多做控制手段，防止裂縫的產(chǎn)生。下面，就幾個方面的控制措施進(jìn)行分析討論。

3.1 槽型梁預(yù)應(yīng)力張拉控制

在槽型梁施工中，通常會在腹板及底板位置布置預(yù)應(yīng)力鋼束，避免產(chǎn)生過大的裂縫。同時，在工程施工階段，混凝土結(jié)構(gòu)不會很快達(dá)到預(yù)期強度且槽型梁并未完全對稱，所以，進(jìn)行合理的預(yù)應(yīng)力鋼束張拉必不可免，需控制其張拉應(yīng)力及張拉順序，先進(jìn)行橫向預(yù)應(yīng)力第一次張拉后，張拉縱向預(yù)應(yīng)力，最后進(jìn)行橫向預(yù)應(yīng)力第二次張拉。在施工過程中，薄壁槽型梁底板厚度小，預(yù)應(yīng)力鋼束單向張拉時會破壞梁的結(jié)構(gòu)，所以，宜采用分段方案。此方案中，預(yù)應(yīng)力鋼束要進(jìn)行雙向張拉，控制張拉，逐步拉至設(shè)計數(shù)值。還需要建立有限元模型，對槽型梁張拉工序進(jìn)行驗證，應(yīng)用MIDAS/Civil進(jìn)行張拉數(shù)值模擬，并對相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力筋及張拉控制應(yīng)依次分階段進(jìn)行設(shè)定和激活，以此得出槽型梁在張拉過程中的應(yīng)力計算結(jié)果[8]，如圖1所示。

3.2 薄壁混凝土結(jié)構(gòu)溫度因素控制

薄壁混凝土槽型梁施工過程中，溫度產(chǎn)生的裂縫都是由于混凝土結(jié)構(gòu)自身材料。薄壁混凝土材料是由一系列材料組合而成的，材料在遇水后會發(fā)生強烈反應(yīng)，這也是溫度裂縫產(chǎn)生的原因。同時，也存在系統(tǒng)溫差，系統(tǒng)溫差只引起槽型梁變形，并不引起應(yīng)力，橫向位移和縱向位移都是隨著系統(tǒng)溫差的增大而線性增加[9]。因此，在施工中，有計劃的選擇高質(zhì)量施工材料，盡量降低混凝土材料遇水生熱的溫度，這樣能夠有效的緩解溫度裂縫的產(chǎn)生。除此之外，施工用的混凝土材料配合比也有著重要作用，通過事先試驗方式結(jié)合現(xiàn)場施工情況，合理制定施工材料配合比，可以有效抑制施工裂縫的產(chǎn)生，例如在保證施工安全的情況下，合理減少水泥的使用等。同時，在施工工藝上，制定有效的施工順序，或者采用新的澆筑方式或者采用新的建筑材料也會起到同樣的效果，如圖2所示。

3.3 薄壁混凝土結(jié)構(gòu)收縮因素控制

混凝土結(jié)構(gòu)的自身材料特性與混凝土自身結(jié)構(gòu)特性，使得混凝土收縮應(yīng)力不可避免，是混凝土收縮非常重要的影響因素?；炷两Y(jié)構(gòu)自身特性主要為物理上的膨脹縮小而發(fā)生的形變，由此產(chǎn)生的形變應(yīng)力，使得混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。在槽型梁施工過程中，周圍環(huán)境會對混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生濕度和溫度上的影響，由此在施工中也會影響混凝土自身的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生收縮?；炷聊讨?，由于收縮作用產(chǎn)生形變，為減少形變，在混凝土施工時，在不影響施工安全性的情況下，可將試驗驗證后一定比例的粉煤灰加入到混凝土材料中，這樣能對薄壁混凝土結(jié)構(gòu)中的孔隙率進(jìn)行有效控制，同時還能促進(jìn)薄壁混凝土結(jié)構(gòu)的剛度、強度以及堅韌性大大提升，進(jìn)而有效提高槽型梁整體結(jié)構(gòu)的安全可靠性[10]。粉煤灰能夠發(fā)揮這種功效的主要原因在于其加入的含量與薄壁混凝土結(jié)構(gòu)中化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水化物含量呈反比關(guān)系[11]，在實際工程施工中，應(yīng)事先做好試驗，并考慮工程所處實際環(huán)境進(jìn)行施工。

4? 結(jié)語

施工裂縫會使混凝土結(jié)構(gòu)本身出現(xiàn)失穩(wěn)，破壞等情況，破壞結(jié)構(gòu)外觀，也會使得工程出現(xiàn)安全性問題。薄壁混凝土槽型梁施工中不可避免會產(chǎn)生裂縫，我們要做的就是使得裂縫減少，直至控制裂縫的產(chǎn)生，對混凝土施工具有重要意義。本文著重在幾個方面對薄壁混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫問題進(jìn)行了討論分析，希望會對后來施工有所啟發(fā)。

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