基于數(shù)值仿真的懸索橋錨碇溫度敏感性及開裂成因分析

姬 偉，左新黛

(1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100068；2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088)

0 引言

大體積混凝土在橋梁工程中比較常見，如橋梁墩臺(tái)、承臺(tái)以及懸索橋錨碇，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)大體積混凝土的定義不盡相同,從日本建筑學(xué)會(huì)JASS5[1]、 美國(guó)混凝土學(xué)會(huì)ACI[2]、我國(guó)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[3]對(duì)于大體積混凝土的定義來看,雖然定義不同，但各國(guó)規(guī)范對(duì)其定義有兩個(gè)共同特點(diǎn)：一是截面尺寸大；二是溫度應(yīng)力及溫度裂縫是主要考慮因素。

大體積混凝土構(gòu)件受內(nèi)、外約束的雙重影響，當(dāng)外部溫度變化較大時(shí)，容易造成內(nèi)外較大溫差，一旦溫度應(yīng)力超過混凝土的極限抗拉強(qiáng)度，就會(huì)產(chǎn)生不同程度的裂縫。另外由于溫度作用在構(gòu)件截面上產(chǎn)生的鋼筋與混凝土的變形差不同，在鋼筋和混凝土黏結(jié)完好情況下，環(huán)境溫度變化時(shí)，二者由于線膨脹系數(shù)不同產(chǎn)生變形差，必將使構(gòu)件產(chǎn)生截面應(yīng)力重分布和結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布，造成結(jié)構(gòu)變形、出現(xiàn)裂縫[4-5]。輕則為溫度表面裂縫，重則進(jìn)一步發(fā)展為深層裂縫或貫穿裂縫，對(duì)于像橋梁墩臺(tái)、懸索橋錨碇等橋梁結(jié)構(gòu)中重要的構(gòu)件，需要引起足夠的重視。

現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)大體積混凝土的研究，大部分停留在施工階段溫度裂縫控制[6-13]，對(duì)運(yùn)營(yíng)后期產(chǎn)生裂縫的研究并不多見，本研究以某大跨懸索橋的重力式錨碇為工程實(shí)例，錨碇在運(yùn)營(yíng)十幾年后陸續(xù)出現(xiàn)新增裂縫、原有裂縫加深加寬。由于錨碇開裂會(huì)造成滲漏、剛度降低，影響錨室內(nèi)主纜錨桿的安全性和耐久性，亟需查明開裂原因，采取有針對(duì)性的加固措施。

1 工程概況

1.1 結(jié)構(gòu)形式

某主跨800多米的懸索橋錨碇為重力式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，錨體為上、下游各自獨(dú)立的結(jié)構(gòu)。錨體的主要受力結(jié)構(gòu)由散索鞍墩、后錨塊、鞍部3部分組成。散索鞍墩要承受由散索鞍傳遞的主纜徑向力；后錨塊主要受錨碇架錨桿、錨梁傳遞的主纜索股拉力；鞍部為散索鞍與錨塊之間的傳力結(jié)構(gòu)。主纜拉力由錨碇鋼框架的錨桿、錨梁、錨桿支架組成，主纜的110根預(yù)制索股經(jīng)由散索鞍在錨室中呈放射狀散開，其連接方式采用單束錨固和雙束錨固兩種形式，然后錨固于錨面外露的錨桿上。錨體混凝土的錨桿四周表面進(jìn)行特殊處理，使錨桿與混凝土之間無黏結(jié)，以便主纜索股通過錨桿直接傳力到錨梁。錨碇俯視圖和側(cè)立面圖如圖1，2所示。

圖1 錨碇俯視平面圖(單位：cm)Fig. 1 Top plane view of anchorage(unit:cm)

圖2 錨碇側(cè)剖面圖(單位：cm)Fig.2 Side profile of anchorage(unit:cm)

1.2 病害特征

大橋運(yùn)營(yíng)十余年來，錨碇裂縫逐年增長(zhǎng)，主要以豎向裂縫和橫向施工縫為主。上下游錨碇豎向裂縫數(shù)量2 037條，總長(zhǎng)度1 302 m，補(bǔ)后豎縫重新開裂92條，最大長(zhǎng)度為20 m，如圖3(a)所示，該豎向裂縫跨15條水平施工縫，寬度0.16 mm，位于上游錨碇西側(cè)面。多條橫向施工縫開裂，裂縫寬度均介于0.15～0.2 mm之間。經(jīng)過取芯驗(yàn)證橫向施工接縫深度介于12～13 cm之間；豎向裂縫深度最深為6 cm。圖3標(biāo)出了錨碇幾條典型裂縫，裂縫深度在6～12 cm，大于保護(hù)層厚度6 cm。

圖3 錨碇側(cè)面典型裂縫示意圖Fig.3 Schematic diagram of typical cracks on side of anchorage

2 開裂初步分析

大體積混凝土裂縫的分類，按裂縫深度分，可分為表面淺層裂縫、深層裂縫和貫穿裂縫；按裂縫開合度的變化分，可分為死裂縫、活裂縫和增長(zhǎng)裂縫[14]。從上述錨碇裂縫描述可知，該懸索橋錨碇的部分裂縫屬于深層裂縫和增長(zhǎng)裂縫，裂縫深度大于混凝土保護(hù)層厚度，可能引起鋼筋銹蝕裂縫，對(duì)錨碇結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性影響較大。

為進(jìn)一步查明開裂原因，根據(jù)規(guī)范[15]，采用超聲與回彈相結(jié)合的方式對(duì)錨碇混凝土進(jìn)行了特殊檢測(cè)，結(jié)果表明，錨碇所有測(cè)區(qū)混凝土強(qiáng)度均處于良好狀態(tài)；多數(shù)測(cè)區(qū)有銹蝕活動(dòng)性，個(gè)別距離典型裂縫較近的測(cè)區(qū)可能銹蝕速率較快；所有測(cè)區(qū)混凝土碳化程度輕微，氯離子含量誘發(fā)鋼筋銹蝕的可能性很小。檢測(cè)結(jié)果表明，錨碇結(jié)構(gòu)自身強(qiáng)度和材料因素不是造成開裂的主要原因。

懸索橋錨碇的主要功能為承受主纜拉力，為判別是否與該拉力有關(guān)，對(duì)索力進(jìn)行了索力計(jì)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表1，2所示。從中可看出，各錨室索股部分索力實(shí)測(cè)值與竣工索力值比較，差值均小于10%，考慮到測(cè)量誤差及大橋已運(yùn)營(yíng)10余年并更換橋面，認(rèn)為在合理范圍內(nèi)。由此判定索力未發(fā)生明顯變化,初步排除索力因素。

表1 上游錨室部分索股索力比較Tab.1 Comparison of partial cable forces of cable strands in upstream anchor hall

表2 下游錨室部分索股索力比較Tab.2 Comparison of partial cable forces of cable strands in downstream anchor hall

根據(jù)文獻(xiàn)[16]，大體積鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的溫度裂縫特征為:裂縫常?？v橫交錯(cuò)；深層的裂縫和貫穿的裂縫，一般與短邊平行或接近平行；裂縫沿全長(zhǎng)分段出現(xiàn)，中間較密；裂縫寬度大小不一，一般在0.5 mm 以下，且沿結(jié)構(gòu)全長(zhǎng)沒有多大變化。經(jīng)過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，這幾點(diǎn)與該橋錨碇的裂縫特征基本相符，考慮到大體積混凝土結(jié)構(gòu)受溫度影響較大，下面重點(diǎn)從溫度影響方面探究裂縫成因。

3 數(shù)值仿真模型

3.1 精細(xì)化建模

采用大型空間有限元軟件建立錨碇精細(xì)化模型，考慮錨碇在主纜索力和溫度作用下的受力情況?？紤]到結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，建模取一半模型，錨碇模型模擬了前錨室、后錨室、錨墊板、錨桿、基礎(chǔ)等構(gòu)件，如圖4所示，其中x,y,z坐標(biāo)分別對(duì)應(yīng)橋梁的縱向、豎向和橫向。錨碇混凝土為30#，采用solid單元模擬，共計(jì)建模36 650個(gè)solid單元。錨桿和錨梁均采用beam單元，錨桿共計(jì)66根，包括22根單錨桿和44根雙錨桿，錨梁共計(jì)59根。模擬了主纜的110根錨桿在錨室中呈放射狀散開，采用單束錨固和雙束錨固兩種形式，如圖5所示。錨碇混凝土與錨桿模型俯視圖如圖6～7所示。

圖4 錨碇網(wǎng)格模型Fig.4 Anchorage grid model

圖5 錨桿模型Fig.5 Anchor bolt model

圖6 錨碇模型俯視圖Fig.6 Top view of anchor model

圖7 錨碇模型俯視透視圖 Fig.7 Top perspective view of anchor model

3.2 傳力路徑與約束模擬

主纜錨固系統(tǒng)由后錨梁和前錨桿組成。后錨梁埋于錨體混凝土內(nèi)，前錨桿一端連接在后錨梁上，另一端伸出錨體前錨面，與主纜相連。主纜索股散開后，先與前錨桿相連，通過錨桿將主纜索股力沿主纜散開方向繼續(xù)擴(kuò)散后，再傳給錨體后端的后錨梁，通過后錨梁的承壓面將主纜索股力傳給錨塊混凝土。錨碇傳力路徑為：主纜力→前錨桿→后錨梁→錨塊受壓混凝土，如圖8所示。錨碇模型能夠真實(shí)模擬錨桿通過錨梁的承壓面將主纜索股力傳給錨體混凝土的真實(shí)受力狀態(tài)。

圖8 錨碇傳力構(gòu)件示意圖(單位：cm)Fig.8 Schematic diagram of force transmission members of anchorage (unit：cm)

錨桿單元與錨梁?jiǎn)卧墓?jié)點(diǎn)相互固結(jié)，錨梁beam單元節(jié)點(diǎn)與后錨塊solid單元建立約束方程組，錨碇底面的節(jié)點(diǎn)和前錨桿最外端的節(jié)點(diǎn)固結(jié)，錨碇基礎(chǔ)底面作固結(jié)處理。約束及邊界條件如圖9所示。錨桿合力與實(shí)橋測(cè)得索力相當(dāng)，約150 000 kN。

圖9 錨碇邊界約束示意圖Fig.9 Schematic diagram of boundary constraints of anchorage

3.3 溫度組合工況

溫度效應(yīng)對(duì)錨碇結(jié)構(gòu)的影響主要有年溫差效應(yīng)、日照溫差效應(yīng)、驟然降溫效應(yīng)3種類型[17]，各種溫度效應(yīng)特點(diǎn)對(duì)比如表3所示，其中后兩種效應(yīng)較為復(fù)雜，對(duì)結(jié)構(gòu)影響較大。由于該橋址位置夏季高溫時(shí)經(jīng)常突然降雨，造成錨碇內(nèi)部一定深度范圍溫度較高，而混凝土表面溫度驟降，從而形成內(nèi)外溫差，所以該錨碇考慮錨桿力和以上3種溫度效應(yīng)，設(shè)計(jì)6種荷載組合工況。

表3 溫度效應(yīng)特點(diǎn)對(duì)比Tab.3 Comparison of temperature effect characteristics

工況1為自重和主纜錨桿力的恒載組合;工況2，3是在工況1基礎(chǔ)上考慮年溫度升溫和年溫度降溫(按±20 ℃計(jì));工況4，5是在工況1基礎(chǔ)上考慮日照溫差，按照文獻(xiàn)[18]中規(guī)定(正溫差T1=25 ℃，T2=6.7 ℃,負(fù)溫差T1=-12.5 ℃，T2=-3.35 ℃)；工況6為結(jié)構(gòu)整體升溫后溫度驟降。工況6溫度場(chǎng)設(shè)定較為復(fù)雜，由于混凝土材料的導(dǎo)熱系數(shù)很小，在混凝土表面大氣溫度突然變化時(shí)，內(nèi)部的混凝土溫度變化較慢，出現(xiàn)一定的滯后情況，從而形成了沿混凝土厚度方向梯度溫度，混凝土越厚，滯后效果越明顯[17]。如何確定錨碇混凝土沿深度方向的溫度場(chǎng)為關(guān)鍵點(diǎn)，根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)測(cè)氣候資料，工況6模擬錨碇整體升溫后混凝土表面溫度驟降工況，考慮錨碇內(nèi)部20 cm厚范圍內(nèi)混凝土溫度升溫到40 ℃，外表面混凝土由40 ℃降為20 ℃，溫度沿混凝土深度方向線性變化。

表4 計(jì)算工況Tab.4 Calculation conditions

4 溫度敏感性計(jì)算結(jié)果

本節(jié)將列出6種工況下錨錠的應(yīng)力云圖，圖中應(yīng)力單位均為Pa,以受拉為正、受壓為負(fù)。x向?yàn)殄^錠水平向，y向?yàn)殄^錠豎向，z向?yàn)殄^錠橫向。

工況1，2，3的錨碇主拉應(yīng)力云圖分別如圖10(a)～(c)所示。從圖中可看出，工況1為錨碇自重和錨桿力恒載作用的初始狀態(tài)，錨碇主拉應(yīng)力不大(最大0.4 MPa)；工況2整體升溫20 ℃后，錨碇最大主拉應(yīng)力3.1 MPa,發(fā)生在錨室側(cè)墻靠近基礎(chǔ)位置，超出了30#混凝土抗拉強(qiáng)度；工況3整體降溫20 ℃ 作用下，錨碇外墻為整體基本受壓狀態(tài)，僅在接近基礎(chǔ)部位拉應(yīng)力略偏大(拉應(yīng)力8.3 MPa)，主要由于邊界條件約束所致。綜上，計(jì)算表明整體升溫對(duì)后錨室側(cè)墻應(yīng)力影響較大，這是由于整體升溫大體積混凝土膨脹，而底面約束限制混凝土變形，造成側(cè)墻下緣拉應(yīng)力過大。

工況4，5的主拉應(yīng)力云圖如圖10(d),(e)所示。局部升溫作用下，錨碇結(jié)構(gòu)整體承受較小的拉應(yīng)力(最大0.6 MPa)；局部降溫作用下，錨碇后錨室背墻均受拉，最大主拉應(yīng)力為2 MPa，計(jì)算表明局部降溫對(duì)背墻應(yīng)力影響較大，但尚不足以造成開裂。

圖10 工況1～5錨碇主拉應(yīng)力云圖(單位：Pa)Fig.10 Nephograms of main tensile stress of anchorage in working conditions 1-5 (unit:Pa)

圖11 工況6錨碇主拉應(yīng)力云圖(單位：Pa)Fig.11 Nephograms of main tensile stress of anchorage in working condition 6 (unit:Pa)

工況6的主拉應(yīng)力和3向正應(yīng)力云圖分別如圖11(a)～(d)所示。圖中可看出，考慮錨碇混凝土表面溫度驟降20 ℃作用下，錨碇的前墻、側(cè)墻、背墻均受拉，側(cè)墻下部大面積主拉應(yīng)力在5 MPa左右，超出30#混凝土抗拉強(qiáng)度2.1 MPa；錨碇結(jié)構(gòu)x方向拉應(yīng)力在側(cè)墻大面積范圍在3 MPa左右；y方向拉應(yīng)力側(cè)墻大面積范圍在4 MPa左右，側(cè)墻下部達(dá)到了7 MPa,z方向拉應(yīng)力側(cè)墻大面積范圍在2 MPa左右。計(jì)算表明，在溫度驟降作用下，錨錠側(cè)墻產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力，超出了混凝土抗拉強(qiáng)度較多，極易造成開裂。

5 開裂成因及處治

5.1 開裂成因

由于當(dāng)?shù)靥赜械臍夂驐l件，形成了錨碇結(jié)構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間暴曬內(nèi)部高溫后突降暴雨造成內(nèi)外溫差，由此導(dǎo)致混凝土表面受內(nèi)部混凝土約束產(chǎn)生較大拉應(yīng)力而開裂，稱之為冷擊效應(yīng)，由此產(chǎn)生的裂縫稱為內(nèi)約束裂縫。

當(dāng)錨碇混凝土的基礎(chǔ)澆注在較為堅(jiān)硬的地基、沒有采取隔離層等放松約束的措施，則混凝土整體升溫膨脹時(shí)，受到地基等剛性外部約束時(shí)，將會(huì)在靠近約束部位錨碇混凝土內(nèi)部出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，由此產(chǎn)生的裂縫稱為外約束裂縫。

溫度敏感性數(shù)值分析表明，在表面溫度驟降和整體升溫這兩種工況下，錨碇結(jié)構(gòu)側(cè)面均出現(xiàn)了超出混凝土抗拉強(qiáng)度的主拉應(yīng)力，對(duì)應(yīng)上述內(nèi)約束裂縫和外約束裂縫，裂縫一般為深層裂縫和增長(zhǎng)裂縫，如錨碇出現(xiàn)的豎向裂縫。

橫向施工裂縫分析是由于施工期間的施工工藝不當(dāng)造成施工接縫質(zhì)量較差，加之在長(zhǎng)期雨水沖刷、溫度變化等外部環(huán)境作用下形成普遍開裂。

5.2 處治方式

針對(duì)大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度裂縫的嚴(yán)重程度，一般有表面修補(bǔ)法、內(nèi)部注漿法、結(jié)構(gòu)加固法，結(jié)構(gòu)加固法又分為“補(bǔ)、拉、撐、包、托、卸、降、換”8種類型[16]。考慮到該橋錨碇裂縫處于逐年增長(zhǎng)和加深加寬的狀態(tài)，僅靠修補(bǔ)和注漿的方式不足以解決根本問題，需要采取結(jié)構(gòu)加固法，保證結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。

本橋錨碇最終采用結(jié)構(gòu)加固法中的“包”的方式，上下游錨碇側(cè)面外包15 cm厚的抗裂高性能混凝土，設(shè)置兩層防裂鋼筋網(wǎng)，外層鋼筋網(wǎng)10 cm間距，內(nèi)層鋼筋網(wǎng)15 cm間距。新增混凝土豎向和橫向采用分層分塊澆注。維修兩年后對(duì)錨面進(jìn)行了跟蹤檢查，均未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫，該方案實(shí)用效果良好。

6 結(jié)論

針對(duì)大跨懸索橋錨碇在運(yùn)營(yíng)期出現(xiàn)裂縫增長(zhǎng)的情況，對(duì)索力、環(huán)境、材料、施工等多方面因素進(jìn)行分析，建立了錨碇精細(xì)化有限元模型，考慮了6種溫度工況進(jìn)行溫度敏感性分析。在工況2整體升溫20 ℃下，錨錠側(cè)墻主拉應(yīng)力達(dá)到容許應(yīng)力1.5倍，工況6溫度驟降下側(cè)墻主拉應(yīng)力達(dá)到容許應(yīng)力2.4倍。

計(jì)算結(jié)果表明，冷擊效應(yīng)造成的錨碇混凝土表面溫度驟降會(huì)產(chǎn)生內(nèi)約束裂縫，整體升溫下錨碇混凝土膨脹會(huì)產(chǎn)生外約束裂縫，這兩種類型裂縫導(dǎo)致錨碇產(chǎn)生豎向裂縫，該錨錠豎向裂縫的最大深度6 cm；環(huán)境和施工因素是造成橫向施工縫開裂的主要原因，橫向施工縫最大深度13 cm。

最終采用錨碇側(cè)面外包帶防裂鋼筋網(wǎng)的高耐久性混凝土進(jìn)行加固，后續(xù)觀測(cè)來看效果良好，對(duì)橋梁工程中錨碇、承臺(tái)、橋臺(tái)等大體積混凝土的開裂問題有一定借鑒意義。