鋼板組合梁負(fù)彎矩區(qū)現(xiàn)澆段混凝土底面裂縫成因分析

唐 堅 蘇慶田，* 季云峰 倪 迪

（1.同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系，上海200092；2.臺州市交通投資集團(tuán)有限公司，臺州318000）

0 引 言

簡支鋼-混凝土組合梁的混凝土受壓，鋼結(jié)構(gòu)受拉，可充分利用鋼與混凝土的材料特性，與同等跨徑混凝土橋相比，其材料利用率高，具有較高經(jīng)濟(jì)性［1］。為適當(dāng)增大其適用跨徑，鋼-混組合梁橋也常應(yīng)用于連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，此時負(fù)彎矩區(qū)混凝土受拉，混凝土便容易開裂，影響結(jié)構(gòu)的長期使用性能，相關(guān)研究提出了適合組合橋面板負(fù)彎矩區(qū)混凝土裂縫寬度計算方法［2］。針對組合梁負(fù)彎矩區(qū)混凝土開裂問題，目前常采用支點(diǎn)頂升、張拉預(yù)應(yīng)力筋、中間支座處梁體頂升與回落、改變混凝土的澆筑順序以及增加臨時壓重等措施使得負(fù)彎矩區(qū)混凝土儲備一定的壓應(yīng)力［3-5］。在負(fù)彎矩作用下，混凝土板頂面首先出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，因此目前針對混凝土負(fù)彎矩開裂的措施從原理上分析均是防止混凝土頂面在使用階段出現(xiàn)裂縫。研究表明，在水化熱、環(huán)境氣溫變化，以及由澆筑順序?qū)е碌氖湛s差異等因素的綜合影響下，混凝土亦會在施工階段出現(xiàn)早期裂縫［6-8］。在自然條件下，因混凝土導(dǎo)熱性能較差，在鋼-混組合橋的混凝土板內(nèi)存在較大溫差梯度［9-10］。外部對流換熱系數(shù)、鋪裝層熱導(dǎo)率和混凝土板熱導(dǎo)率等因素均會影響截面溫度的變化，有學(xué)者提出采用數(shù)值方法來預(yù)測組合梁中混凝土的實(shí)際溫度變化［11-12］。對于鋼-混組合橋，美國AASHTO（1994 版）根據(jù)環(huán)境差異規(guī)定了不同的豎向溫度梯度，而我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)尚未考慮這一因素［13-14］。

本文以一在建5×35 m 鋼板組合梁橋?yàn)楸尘?，針對其在施工階段負(fù)彎矩區(qū)現(xiàn)澆段混凝土板底面出現(xiàn)的裂縫，采用ANSYS 軟件建立全橋模型分析裂縫產(chǎn)生的原因。通過計算整體升溫、溫度梯度、混凝土均勻收縮、不均勻收縮下混凝土板的應(yīng)力情況，分析上述荷載效應(yīng)對混凝土產(chǎn)生裂縫的作用程度，并提出了預(yù)防性的措施，可為今后同類型橋梁在施工階段的裂縫控制提供借鑒與參考。

1 工程背景

背景工程為5×35 m 跨徑的雙幅八主梁鋼板組合梁，上部橋面板以預(yù)制為主，橫向全幅范圍內(nèi)設(shè)四塊預(yù)制橋面板，墩頂受拉力較大區(qū)域采用現(xiàn)澆橋面板，預(yù)制橋面板縱橫向通過濕接縫連成整體，在中墩兩側(cè)各4.25 m 長度范圍內(nèi)澆筑微膨脹纖維混凝土，纖維采用聚丙烯纖維，摻量為0.8～1.2 kg/m3，現(xiàn)澆段混凝土橋面板厚度由250 mm變化至350 mm。鋼主梁采用I形，鋼主梁高1 650 mm，上下翼緣均等寬，分別為600 mm 和650 mm，上翼緣厚度為20～34 mm，下翼緣厚度為25～56 mm，腹板厚度為16～18 mm，具體布置如圖1所示。

圖1 鋼板組合梁橋標(biāo)準(zhǔn)布置圖（單位：mm）Fig.1 Standard layout of steel plate composite bridge（Unit：mm）

2 實(shí)橋監(jiān)測結(jié)果

2.1 測點(diǎn)布置示意

在其中一個現(xiàn)澆段混凝土板頂面及底面相應(yīng)位置各布置4 個測點(diǎn)，底面上從邊梁向內(nèi)依次編號為1#～4#，頂面相應(yīng)位置編號依次為5#～8#，底面溫度測點(diǎn)現(xiàn)場布置如圖2 所示。預(yù)制段測點(diǎn)縱橋向位于跨中，橫橋向位于邊主梁與最靠近邊主梁這兩根鋼梁正中間。

2.2 溫度以及裂縫監(jiān)測結(jié)果

通過對現(xiàn)場進(jìn)行連續(xù)8 天的監(jiān)測，根據(jù)當(dāng)?shù)貧v史氣象數(shù)據(jù)，取8 個時間測點(diǎn)足以反映日氣溫升降變化規(guī)律，因此每天分8 個時間點(diǎn)（0∶00，4∶00，7∶00，10∶00，13∶00，16∶00，19∶00，22∶00）觀測，得到溫度測試結(jié)果如圖3 所示?？芍跍y試時段內(nèi)環(huán)境最高溫度為36.4 ℃，現(xiàn)澆段混凝土橋面板頂面與底面于第5 天出現(xiàn)最大正溫差，為16.4 ℃，預(yù)制板頂面與底面最大正溫差為13.1 ℃。現(xiàn)場裂縫監(jiān)測結(jié)果表明，橋面板裂縫多出現(xiàn)于墩頂現(xiàn)澆段的變厚度處，以斜向裂縫為主，且裂縫均出現(xiàn)在橋面板底面，頂面未發(fā)現(xiàn)裂縫，其中一個墩頂現(xiàn)澆段如圖4所示。

圖3 溫度測試結(jié)果Fig.3 Temperature monitoring results

圖4 負(fù)彎矩區(qū)現(xiàn)澆段底面裂縫Fig.4 Bottom crack of cast-in-situ concrete in negative moment region

3 效應(yīng)計算與分析

3.1 計算分析模型

采用通用有限元程序ANSYS 對單幅連續(xù)鋼板組合梁橋進(jìn)行建模分析，鋼板梁采用SHELL181 板殼單元進(jìn)行模擬，混凝土板采用SOLID95 實(shí)體單元模擬。通常情況下，鋼與混凝土之間的滑移對靜力計算結(jié)果影響很小，因此本計算中不考慮鋼與混凝土之間的滑移，通過CEINTF 命令在鋼-混凝土交界面建立約束方程，結(jié)構(gòu)材料屬性如表1 所示，邊界條件及有限元模型分別如圖5和圖6所示。

圖5 邊界條件Fig.5 Boundary condition

圖6 有限元模型Fig.6 Finite element model

表1 結(jié)構(gòu)材料屬性Table 1 Properties of structural materials

3.2 整體升溫

全橋合龍溫度為15 ℃，環(huán)境最高溫為36.4 ℃，取整體升溫21.4 ℃進(jìn)行計算。因預(yù)制板未觀測到裂縫，僅在現(xiàn)澆段底面出現(xiàn)裂縫，因此重點(diǎn)關(guān)注底面應(yīng)力結(jié)果，在下文均展示現(xiàn)澆段混凝土底面應(yīng)力結(jié)果。整體升溫荷載作用下混凝土板應(yīng)力如圖7 所示，混凝土底面縱向均為拉應(yīng)力，主要分布在0.30～0.80 MPa 之間，第一主應(yīng)力主要分布在0.23～0.75 MPa 之間，鋼主梁之間的變厚度橋面板在遠(yuǎn)離支點(diǎn)的一側(cè)，底面縱橋向應(yīng)力與第一主應(yīng)力均比其他部位大，分別為0.72 MPa和0.75 MPa。

圖7 整體升溫21.4 ℃現(xiàn)澆段混凝土底面應(yīng)力（單位：MPa）Fig.7 Stress at the bottom surface of cast-in-situ concrete under a temperature rise of 21.4 ℃（Unit：MPa）

3.3 梯度溫度

現(xiàn)澆段混凝土梯度升溫16.4 ℃，預(yù)制段混凝土梯度升溫13.1 ℃，假設(shè)溫度在橋面板厚度方向呈線性變化，根據(jù)溫度實(shí)測結(jié)果，鋼結(jié)構(gòu)溫度與混凝土底面溫度基本一致，計算得到現(xiàn)澆段混凝土底面應(yīng)力如圖8 所示?，F(xiàn)澆段混凝土底面縱向應(yīng)力除懸臂邊緣小部分區(qū)域受壓外，大部分區(qū)域受拉，主要分布在1.06～2.78 MPa，第一主應(yīng)力主要分布在1.80～4.24 MPa，橫橋向跨中靠近中支點(diǎn)區(qū)域應(yīng)力比其他部位大，此區(qū)域的縱橋向應(yīng)力為2.78 MPa，第一主應(yīng)力為4.24 MPa。

圖8 梯度溫度下現(xiàn)澆段混凝土底面應(yīng)力（單位：MPa）Fig.8 Stress at the bottom surface of cast-in-situ concrete under gradient temperature（Unit：MPa）

3.4 均勻收縮

在組合結(jié)構(gòu)橋梁中，混凝土收縮會受鋼梁約束，從而使得混凝土橋面板中產(chǎn)生拉應(yīng)力，根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（TJG D62—2018）［15］計算得到現(xiàn)澆混凝土板的收縮應(yīng)變?yōu)?.32×10-5，預(yù)制混凝土板收縮應(yīng)變?yōu)?.72×10-6，混凝土收縮通過降溫實(shí)現(xiàn)，給現(xiàn)澆段和預(yù)制段混凝土分別降溫3.3 ℃和0.6 ℃，計算得到現(xiàn)澆段混凝土底面應(yīng)力如圖9 所示。混凝土底面整體受拉，縱向應(yīng)力主要分布在0.09～0.50 MPa，第一主應(yīng)力分布在0～0.51 MPa，鋼主梁之間的變厚度橋面板在遠(yuǎn)離支點(diǎn)一側(cè)的底面縱橋向應(yīng)力與第一主應(yīng)力均比其他部位大，分別為0.50 MPa 和0.51 MPa。

圖9 混凝土均勻收縮下現(xiàn)澆段混凝土底面應(yīng)力（單位：MPa）Fig.9 Stress at the bottom surface of cast-in-situ concrete under uniform shrinkage of concrete（Unit：MPa）

3.5 不均勻收縮

在實(shí)際養(yǎng)護(hù)中混凝土板頂面有相對充足的水分，而底部水分較少，且木模板也會吸收底部混凝土中的水分，最終導(dǎo)致混凝土橋面板底部收縮比頂面收縮大，因此考慮混凝土沿厚度方向非均勻收縮。由于目前規(guī)范中尚未給出混凝土非均勻收縮模型，本文將規(guī)范計算所得收縮量作為混凝土頂面收縮基準(zhǔn)值n，將底面收縮量分別取1.5n和2n兩種模式進(jìn)行計算，并假定混凝土收縮值沿厚度方向呈線性變化，兩種收縮模式下的計算結(jié)果如圖10和圖11所示。

圖10 非均勻收縮模式一現(xiàn)澆段混凝土底面應(yīng)力（單位：MPa）Fig.10 Stress at the bottom surface of cast-in-situ concrete under non-uniform shrinkage mode 1（Unit：MPa）

圖11 非均勻收縮模式二現(xiàn)澆段混凝土底面應(yīng)力（單位：MPa）Fig.11 Stress at the bottom surface of cast-in-situ concrete under non-uniform shrinkage mode 2（Unit：MPa）

在收縮模式一下，混凝土底面的縱橋向應(yīng)力除懸臂端外基本為拉應(yīng)力。模式一負(fù)彎矩區(qū)混凝土底面縱向應(yīng)力主要分別分布于0.13～0.79 MPa，第一主應(yīng)力主要分布于0.17～0.96 MPa，鋼主梁之間的變厚度橋面板在遠(yuǎn)離支點(diǎn)的一側(cè)底面縱橋向應(yīng)力與第一主應(yīng)力均比其他部位大，分別為0.79 MPa和0.96 MPa。

在收縮模式二下，混凝土底面的縱橋向應(yīng)力除懸臂端外基本為拉應(yīng)力。負(fù)彎矩區(qū)混凝土底面縱向應(yīng)力主要分別分布于0.23～1.20 MPa 之間，第一主應(yīng)力主要分布于0.20～1.56 MPa 之間，鋼主梁之間的變厚度橋面板在遠(yuǎn)離支點(diǎn)的一側(cè)底面縱橋向應(yīng)力與第一主應(yīng)力均比其他部位大，分別為1.20 MPa和1.56 MPa。

4 成因分析與對策

根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)測溫度數(shù)據(jù)分析，在施工過程中，鋼板組合梁中混凝土板的溫度梯度要高于中國現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定值，在施工地現(xiàn)場溫度梯度作用下，負(fù)彎矩區(qū)現(xiàn)澆段混凝土主拉應(yīng)力為4.24 MPa，超過C40 混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.40 MPa，是導(dǎo)致早期裂縫的最主要原因。

結(jié)構(gòu)整體升溫、混凝土板的收縮均會在負(fù)彎矩現(xiàn)澆段混凝土底面產(chǎn)生拉應(yīng)力。整體升溫下該區(qū)域第一主拉應(yīng)力為0.75 MPa，達(dá)到C40 混凝土標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度的31%；均勻收縮下第一主拉應(yīng)力為0.51 MPa，達(dá)到C40 混凝土標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度的21%；假定的非均勻收縮模式一與模式二中，第一主拉應(yīng)力分別為0.96 MPa 和1.56 MPa，達(dá)到C40混凝土標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度的40%和65%。由于上述因素不是單一作用在混凝土橋面板中，同時不同程度的發(fā)生會使得混凝土板的拉應(yīng)力進(jìn)一步超出C40的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度，導(dǎo)致裂縫進(jìn)一步發(fā)展。

另外實(shí)際結(jié)構(gòu)中的材料質(zhì)量和施工因素也是不可忽視的重要因素，如混凝土中膨脹劑的效能、混凝土現(xiàn)場澆筑質(zhì)量、模板拆除時間等都會影響混凝土的早期開裂。

鑒于鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)中鋼與混凝土兩種材料材性的熱傳導(dǎo)系數(shù)和線膨脹系數(shù)的不同，溫度效應(yīng)作用下在混凝土中容易產(chǎn)生拉應(yīng)力，因此在施工過程中要有效控制混凝土的溫度，特別是在混凝土強(qiáng)度較低的早期階段要做好保濕降溫措施?；炷恋氖湛s是不可避免的，但是不同品質(zhì)的混凝土其收縮量是不同的，在組合結(jié)構(gòu)中要盡量采用收縮量少的干硬性混凝土，對于泵送混凝土要嚴(yán)格控制其澆筑之前的運(yùn)輸及等待時間。當(dāng)采用微膨脹混凝土?xí)r要從材料源頭進(jìn)行控制，確保膨脹劑能夠有效準(zhǔn)確發(fā)揮作用。

5 結(jié) 語

本文以某一5×35 m 連續(xù)鋼板組合梁背景，對實(shí)橋進(jìn)行監(jiān)測并使用ANSYS 軟件建立全橋有限元模型，計算分析負(fù)彎矩區(qū)現(xiàn)澆段混凝土裂縫產(chǎn)生原因。結(jié)果表明，混凝土橋面板的溫度梯度效應(yīng)是導(dǎo)致早期裂縫的最主要原因；環(huán)境整體升溫和混凝土收縮效應(yīng)均會引起混凝土橋面板受拉，它們同時作用導(dǎo)致早期裂縫進(jìn)一步發(fā)展；另外施工及材料方面不可預(yù)知的原因也可能導(dǎo)致混凝土開裂。針對鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁，提出了一些減少混凝土開裂的措施與方法。