寬幅預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋施工裂縫控制研究

伊新國

（中鐵十九局集團(tuán)第二工程有限公司，遼寧遼陽 111000）

0 引言

在交通基礎(chǔ)設(shè)施不斷發(fā)展的當(dāng)今，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁得到廣泛的應(yīng)用，但在實(shí)際施工及設(shè)計(jì)時(shí)，受各種因素的影響，部分預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋常有裂縫出現(xiàn)，特別是在寬幅預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁施工中常有裂縫出現(xiàn)。

1 有限元模型

某預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁采用單箱3 室直腹板橫截面形式，橋梁標(biāo)準(zhǔn)斷面有49.5 m 的寬度以及0.3 的寬跨比。橋梁截面尺寸如圖1 所示。

基于該橋梁的特點(diǎn)，采用FAE 有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行建模分析。對(duì)懸臂施工階段橋梁在各種工況下的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析計(jì)算，基于橋梁裂縫所處位置以及具體施工狀況，對(duì)裂縫產(chǎn)生規(guī)律及原因進(jìn)行分析，為后期施工提供依據(jù)。所建立橋梁模型如圖2 所示。因該橋梁施工時(shí)有較多裂縫出現(xiàn)在2#塊箱梁，因此僅分析2#塊箱梁懸臂施工。

2 影響因素分析

2.1 自重荷載效應(yīng)分析

在理想施工狀態(tài)下，考慮澆筑2#箱梁后的自重效應(yīng)，所得結(jié)果為：橋梁最大縱向壓應(yīng)力以及拉應(yīng)力分別為2.14 MPa 和1.43 MPa；橋梁最大橫向壓應(yīng)力以及拉應(yīng)力分別為0.79 MPa和0.67 MPa；2#箱梁在混凝土自重效應(yīng)下有0.76 MPa 的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在中間箱室頂板處，可知其滿足短期狀況構(gòu)件的應(yīng)力要求，即不會(huì)有裂縫出現(xiàn)。

2.2 混凝土水化熱影響分析

圖1 橋梁跨中截面

圖2 橋梁有限元計(jì)算模型

2#箱梁體積95 m3，屬于體積較大的混凝土，澆筑完混凝土后因水泥水化熱產(chǎn)生的影響不可忽視?；炷脸跄髸?huì)逐步有剛度以及強(qiáng)度形成，此時(shí)若仍處于升溫階段，可能會(huì)導(dǎo)致其表面出現(xiàn)溫度裂縫。水化熱降溫時(shí)釋放完畢后，混凝土的強(qiáng)度及剛度會(huì)有較大的提高，但因存在現(xiàn)澆段的約束，拉應(yīng)力會(huì)因無法釋放而逐漸積累變大，更易出現(xiàn)裂縫。所用混凝土配比：400 kg/m3水泥，50 kg/m3粉煤灰，50 kg/m3礦粉。計(jì)算可得其最大絕熱溫升為68.1 ℃，26.6 ℃的混凝土拌合溫度和34.6 ℃的澆筑溫度?，F(xiàn)場測試可得混凝土澆筑前后有24.5 ℃的溫差。

2.2.1 溫度場分析

不考慮混凝土的效應(yīng)時(shí)，腹板和底板間的倒角處有54 ℃的最大水化熱溫升。相比于中間箱室的頂?shù)装鍦囟?，腹板與頂?shù)装褰唤缣幍臏囟容^高。相比之下，腹板溫度比底板和頂板溫度高。分析原因?yàn)楹穸容^大的腹板難以與外界開展熱量交換，故其具有較高的溫度。

取頂?shù)装迳舷卤砻孢M(jìn)行分析，所得結(jié)果如圖3 所示。隨著混凝土齡期的不斷變化，頂?shù)装寤炷恋乃療釡赜兄粯拥淖兓?guī)律。

圖3 箱梁頂?shù)装鍦囟入S混凝土齡期變化曲線

從圖3 可知，在第12 h 有最大的混凝土溫升，此時(shí)頂板溫度低于底板溫度?；炷另?shù)装宓臏囟茸兓? 個(gè)較為顯著時(shí)期劃分，分別是升溫期0～12 h，降溫期12～105 h 以及105 h 后的穩(wěn)定期?；炷恋淖灾匦?yīng)對(duì)其水化熱反應(yīng)有一定影響。因此，混凝土的結(jié)構(gòu)自重效應(yīng)在對(duì)混凝土水化熱反應(yīng)進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)應(yīng)加以考慮，使其更加貼近實(shí)際。頂板溫度實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果相近，但經(jīng)過12 h 后底板實(shí)測溫度與計(jì)算溫度有較大偏差出現(xiàn)，分析可能與混凝土的養(yǎng)護(hù)有關(guān)。

2.2.2 應(yīng)力場分析

基于模型計(jì)算結(jié)果，在溫度以及混凝土的收縮徐變作用下，102 h 下箱梁頂板在在不考慮自重效應(yīng)時(shí)的拉應(yīng)力最大值為1.98 MPa，拉應(yīng)力滿足規(guī)范要求，故不會(huì)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。但混凝土的溫度應(yīng)力在其齡期變化時(shí)也會(huì)隨之改變，因此研究混凝土水化熱與裂縫之間的關(guān)系還需考慮其他影響。

圖4 混凝土應(yīng)力隨齡期的變化（考慮自重）

從圖4 可知，當(dāng)考慮混凝土的自重效應(yīng)時(shí)，橫橋向拉應(yīng)力有較大的增加。頂板下表面混凝土在40 h 之后的拉應(yīng)力值大于其抗拉強(qiáng)度，即頂板混凝土可能會(huì)有開裂現(xiàn)象出現(xiàn)。相比之下，縱橋向應(yīng)力在考慮自重效應(yīng)之后變化較小，表明自重對(duì)橫橋向應(yīng)力影響較大。

在0～12 h 時(shí)，混凝土頂?shù)装宓膽?yīng)力在不考慮自重效應(yīng)時(shí)主要是壓應(yīng)力，且其值與溫度成正比例關(guān)系。在12～36 h 時(shí)，混凝土頂?shù)装鍛?yīng)力隨著齡期的推移而不斷降低并趨于0；混凝土橫橋向拉應(yīng)力在36～105 h 內(nèi)隨著齡期的增加而不斷增加，但在105 h 后則不斷降低。頂?shù)装逑卤砻胬瓚?yīng)力大于上表面；頂板下表面在40 h 后有超出抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的拉應(yīng)力出現(xiàn)，說明可能在頂板下表面會(huì)有縱向裂縫出現(xiàn)，需對(duì)其溫度進(jìn)行控制。底板上下表面拉應(yīng)力均小于抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，故不會(huì)有開裂現(xiàn)象出現(xiàn)。

頂板下表面在考慮自重效應(yīng)情況下的縱橋向拉應(yīng)力均小于抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，故不會(huì)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。在0～12 h 內(nèi)，頂板上表面縱橋向拉應(yīng)力隨著溫度的升高而不斷升高；在12～40 h內(nèi)，其值逐漸減少并趨于0；40 h 之后有壓應(yīng)力出現(xiàn)在頂板混凝土。此外，頂板上表面在0～18 h 內(nèi)有比抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值大的縱橋向拉應(yīng)力出現(xiàn)，表明頂板上表面可能會(huì)出現(xiàn)開裂；底板上表面壓應(yīng)力始終小于抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，因此不會(huì)有開裂現(xiàn)象；底板下表面混凝土在0～10 h 內(nèi)有大于抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的拉應(yīng)力出現(xiàn)，故在其底板下表面可能有橫向裂縫。

從上述分析可知，將抗拉強(qiáng)度作為裂縫出現(xiàn)的依據(jù)考慮溫度收縮裂縫時(shí)，所得結(jié)果與實(shí)際情況較為不符。因此，將基于混凝土收縮徐變的基礎(chǔ)，以極限拉伸作為依據(jù)考慮其溫度收縮裂縫。所得結(jié)果如圖5 所示。

圖5 混凝土應(yīng)力隨齡期變化（考慮極限拉伸）

頂板上表面混凝土在考慮混凝土極限拉伸之后30～80 h內(nèi)的溫度應(yīng)力超出允許值，同樣，其底板下表面混凝土在30～60 h后的溫度應(yīng)力也超出允許值；即代表此時(shí)將會(huì)有縱向裂縫出現(xiàn)在頂?shù)装逑卤砻嫖恢?，此時(shí)箱梁混凝土所處階段為降溫期。頂?shù)装寤炷翍?yīng)力在其水化熱穩(wěn)定后趨于穩(wěn)定。從圖5 可知，底板下表面混凝土在0～28 h 內(nèi)的溫度應(yīng)力大于允許值，此時(shí)將會(huì)出現(xiàn)橫向裂縫?；跇蛄毫芽p的實(shí)際發(fā)布位置可知，在分析混凝土收縮裂縫成因時(shí)，以其極限拉伸為參考進(jìn)行分析更加準(zhǔn)確。

3 結(jié)語

基于對(duì)寬幅箱梁裂縫與混凝土水化熱之間關(guān)系的研究，總結(jié)出裂縫控制中的溫度控制措施。

（1）混凝土的配比設(shè)計(jì)。混凝土裂縫的出現(xiàn)與其水化熱有較大聯(lián)系。因水泥用量與混凝土水化熱表現(xiàn)為正比例關(guān)系，故實(shí)際施工時(shí)應(yīng)選擇低熱水泥。可通過摻入適當(dāng)?shù)姆勖夯襾斫档退嗪俊?/p>

（2）澆筑溫度控制。應(yīng)在溫度較低的情況下澆筑混凝土，即混凝土的澆筑宜在夜間進(jìn)行。可采用加入冷卻拌和水的方式降低其出倉口溫度；可通過澆筑冷卻的方式降低運(yùn)輸混凝土?xí)r的升溫現(xiàn)象。