連續(xù)箱梁頂板裂縫成因分析研究

羅陽青，杜召華，蔣 鑫，張 振

(湖南省交通科學研究院，湖南長沙 410015)

混凝土結構裂縫的成因復雜、繁多，有時多種因素互相影響，但每一條裂縫均有其產生的一種或幾種主要因素，其中混凝土水化熱引起的溫度裂縫在施工中占相當大比例。溫度裂縫控制在大體積混凝土施工中逐漸得到的重視，對其裂縫特點、性質、原因、仿真計算及預防處理措施均有較全面討論及建議［1～4］?，F(xiàn)行施工規(guī)范［5］對大體積混凝土施工也重點強調:要求混凝土內外溫差不宜超過25℃。在工作實踐中發(fā)現(xiàn)薄壁箱梁頂板在施工中出現(xiàn)大面積裂縫，為了解裂縫成因，本文選擇較典型箱梁裂縫進行水化熱分析。

1 工程背景

某橋型布置為預應力T梁+連續(xù)箱梁(24 m+45 m+37 m)+預應力T梁，全長1 512 m。連續(xù)箱梁采用單箱三室變截面(結構尺寸見圖1)，跨中和邊支點處梁高1.8 m，墩頂處梁高2.8 m，腹板厚0.65 m，頂板厚0.28 m，跨中和邊支點處底板厚0.22 m，5號、8號墩頂處底板厚0.42 m，6號、7號墩頂處底板厚0.42 m。主梁按全預應力構件設計，材料:C50;設計荷載:公路—Ⅰ級［6］。

1.1 裂縫特征

5號～8號墩右幅箱梁頂板，共發(fā)現(xiàn)324條裂縫，其中橫向315條，占97%;斜向7條，縱向2條，占3%。通長裂縫164條，占50%，部分裂縫貫通頂板(滲水見圖2)。裂縫長度在0.4～3.4 m之間，寬度在0.05～0.30 mm之間。其特征如下:

圖1 箱梁結構尺寸圖(單位:cm)

1)5～6號墩箱梁頂板裂縫左端少，平均間距2.5 m;右端多，平均間距 0.8 m。

2)6～7號墩箱梁頂板裂縫密集發(fā)育，基本上為頂板通長裂縫，長度3.4 m，平均間距0.8 m。

3)7～8號墩箱頂板梁裂縫右端少，平均間距2.5 m;左端多，平均間距 0.8 m。

4)頂板裂縫從腹板側開始發(fā)育，50%為箱室橫向通長。

5)箱梁腹板及底板未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫(材料及施工工藝同頂板)。

圖2 箱梁內滲水現(xiàn)狀

1.2 施工情況

1)澆筑。原設計為懸澆，后改為滿堂支架施工，澆筑方向為兩端往中間，即5號墩往6號墩方向，8號墩往7號墩方向。分兩次澆筑:先底腹板，再頂板，間隔18 d。底腹板為2011年4月29日澆筑完畢，頂板為2011年5月17日22時起澆筑，次日8時澆筑完畢，連續(xù)作業(yè)時間為10 h。

2)養(yǎng)護。5月18日氣溫為20℃ ～30℃，養(yǎng)護時氣溫較高，且未及時覆蓋土工布養(yǎng)生，混凝土終凝時頂板上表面開始出現(xiàn)微裂縫。

3)材料。施工單位提供混凝土強度、坍落度等資料符合規(guī)范要求，但未做水化熱絕熱性能試驗及混凝土入模溫度測試。箱梁澆筑時各工地水泥需求量相當大，水泥出窯即通過散裝罐車運往工地，到工地時水泥溫度較高，手觸發(fā)燙。

4)滿堂支架。箱梁采用滿堂支架施工，頂板澆筑時，底板及腹板未張拉，滿堂支架未拆除。支架基礎現(xiàn)澆12 cm混凝土，未發(fā)現(xiàn)明顯沉降及開裂。

2 水化熱分析

2.1 數(shù)據準備

該橋箱梁混凝土澆筑時未進行水化熱實測及混凝土力學參數(shù)資料不全，根據使用原材料出廠地一致及混凝土配合比相似情況，仿真分析數(shù)據采用相鄰標段箱梁實測數(shù)值如表1、表2［7］。

表1 箱梁混凝土力學參數(shù)

表2 箱梁溫度測試成果

2.2 模型建立

2.2.1 施工階段劃分

水化熱仿真分析采用MIDAS建模，單箱三室縱向取1 m，橫向取1/2斷面，共1 680個單元，2 520個節(jié)點(見圖3)。建立對稱模型有利于減少分析時間和查看模型中心部位的分析結果。

階段一:澆筑底腹板，其內外表面與空氣對流熱傳遞;底板考慮為固結約束。

圖3 單箱三室1/2斷面有限元分析模型

階段二:澆筑頂板，此時箱室封閉，室內空氣溫度逐漸升高，基本與混凝土內部溫度變化一致，因此頂板內表面考慮為絕熱，僅單元內部進行熱傳遞，不對外散熱;頂板外表面與空氣對流熱傳遞。

2.2.2 仿真分析數(shù)據取值

1)箱梁混凝土力學參數(shù)取表1數(shù)值。

2)根據表2測試結果，混凝土入模溫度較環(huán)境溫度高2.2℃ ～7.6℃。澆筑時環(huán)境溫度為20℃，仿真分析混凝土入模溫度取20℃和30℃兩種情況。

3)根據表2測試結果，混凝土溫升為26℃ ～55.6℃。因測試時箱梁混凝土向環(huán)境散熱，最大絕熱溫升要高于55.6℃，仿真分析時最大絕熱溫升取50℃和70℃兩種情況，放熱系數(shù)取0.605。

4)露天環(huán)境濕度一般為40%，考慮養(yǎng)生情況，環(huán)境濕度取40%和99%兩種情況。

5)鋼模及混凝土暴露表面對流系數(shù)取12 kcal/(m2·h·℃);混凝土材料比熱取0.25 kcal/(kgf·℃)，熱傳導取2.3 kcal/(m·h·℃)［8］。

2.2.3 計算結果

1)溫度裂縫指數(shù)［9］。

韓國混凝土規(guī)范中使用溫度裂縫指數(shù)(抗拉強度與發(fā)生的溫度應力之比)i值預測是否發(fā)生裂縫，其裂縫發(fā)生概率如圖4。

① 防止裂縫發(fā)生時:1.5以上;

② 限制裂縫發(fā)生時:1.2～1.5;

③ 限制有害裂縫發(fā)生時:0.7～1.2。

圖4 溫度裂縫指數(shù)

2)計算結果。

混凝土表面溫差、收縮/徐變應力較內部應力大，根據模型對稱性，取關鍵分析節(jié)點如圖5，計算結果如表3。

圖5 關鍵分析節(jié)點點位圖

表3 關鍵分析節(jié)點溫度裂縫指數(shù)

從表3可知:

①混凝土入模溫度在20℃，絕熱溫升在50℃時，箱梁頂板下表面節(jié)點974、992、1005溫度裂縫指數(shù)為0.7 ～0.8，裂縫發(fā)生概率 75% ～85%;頂板上表面節(jié)點845、852、853、1002 溫度裂縫指數(shù)為1.6 ～1.7，溫度裂縫發(fā)生概率5%。

②混凝土入模溫度在20℃，絕熱溫升在70℃時，箱梁頂板下表面節(jié)點974、992、1005溫度裂縫指數(shù)為0.5 ～0.6，溫度裂縫發(fā)生概率90% ～95%;頂板上表面節(jié)點845、852、853、1002溫度裂縫指數(shù)為1.2～1.4，溫度裂縫發(fā)生概率8% ～25%。

③混凝土入模溫度在30℃，絕熱溫升在50℃時，箱梁頂板下表面節(jié)點974、992、1005溫度裂縫指數(shù)為0.5 ～0.6，溫度裂縫發(fā)生概率92% ～95%;頂板上表面節(jié)點845、852、853、1002溫度裂縫指數(shù)為1.2～1.4，溫度裂縫發(fā)生概率8% ～25%。

④混凝土入模溫度在30℃，絕熱溫升在70℃時，箱梁頂板下表面節(jié)點974、992、1005溫度裂縫指數(shù)為0.4 ～0.5，溫度裂縫發(fā)生概率95% ～98%;頂板上表面節(jié)點845、852、853、1002溫度裂縫指數(shù)為0.9～1.3，溫度裂縫發(fā)生概率15% ～60%。

⑤濕度對裂縫影響不顯著，即養(yǎng)護不到位影響主要為表面裂縫。

從以上分析可知，混凝土入模溫度高較入模溫度低發(fā)生溫度裂縫概率大。水泥水化熱高較水化熱低發(fā)生溫度裂縫概率大。

3)計算結果與現(xiàn)場檢測成果對比。

計算裂縫發(fā)生概率大區(qū)域為箱室頂板內表面、混凝土入模溫度高和水化熱高時外表面，這與現(xiàn)場裂縫檢測成果高度吻合(見圖6、圖7)，因此該橋箱梁頂板裂縫主要是由于水泥水化熱引起溫度裂縫。仿真分析溫度云圖如圖6，現(xiàn)場檢測6～7號墩箱梁頂板裂縫如圖7。

圖6 仿真分析溫度云圖

圖7 現(xiàn)場檢測6～7號墩箱梁頂板裂縫分布圖

3 裂縫成因分析

混凝土結構裂縫的成因復雜，且多為各種因素耦合。根據現(xiàn)場檢測情況和MIDAS仿真分析，箱梁裂縫成因主要有溫度、約束與收縮以及它們的耦合作用。

1)溫度作用:混凝土內部與外部熱脹冷縮的程度不同，使混凝土表面產生一定的自拉應力，當自拉應力超過混凝土的抗拉強度極限時，混凝土表面就會產生裂縫。

溫度應力引起的原因可分為兩類:

①自生應力:邊界上沒有任何約束或完全靜止的結構，如果內部溫度是非線性分布的，由于結構本身互相約束而出現(xiàn)的溫度應力。例如，橋梁墩身，結構尺寸相對較大，混凝土冷卻時表面溫度低，內部溫度高，在表面出現(xiàn)拉應力，在中間出現(xiàn)壓應力。

②約束應力:結構的全部或部分邊界受到外界的約束，不能自由變形而引起的應力。如箱梁頂板混凝土和護欄混凝土。

這兩種溫度應力往往和混凝土的干縮所引起的應力共同作用。

本橋箱梁澆筑時，室內空氣不流通，水泥水化產生熱量使室內溫度逐漸升高，而室外空氣流通快，混凝土表面溫度較穩(wěn)定，因此頂板內外表面溫度差逐漸增加，當溫度差超過一定限值時，混凝土溫度自應力超過混凝土抗拉能力導致開裂。

2)約束作用:澆筑箱梁頂板時，Ⅱ型腹板已達到足夠的強度，剛度大，基本上完成了水泥的熱耗散過程。腹板間距較小(3.4 m)，約束作用大，限制了箱梁頂板混凝土散熱收縮過程，混凝土易因收縮應力而拉裂。隨著溫度的變化和裂紋尖端應力的集中，裂縫會迅速向前發(fā)展。因此右幅箱梁頂板裂縫特征為頂板與腹板結合處開始發(fā)育。

3)收縮作用:混凝土因收縮不均或收縮時受到外界約束導致混凝土裂縫?；炷羶韧馑终舭l(fā)程度不同而導致變形不同:混凝土受外部條件的影響，表面水分損失較快，變形較大，內部濕度變化較小變形較小，較大的表面干縮變形受到混凝土內部約束，產生較大自應力而產生裂縫。

右幅箱梁澆筑時間從晚上22點至次日8點，澆筑順序為兩端向中間澆筑，養(yǎng)護時氣溫變化從20℃到30℃。因此箱梁頂板兩端混凝土在氣溫升高時已完成終凝，受水份蒸發(fā)影響較小，裂縫較少;中間部分混凝土受水份蒸發(fā)影響較大，裂縫較密集。

4 結語

薄壁小箱梁頂板澆筑時，室內封閉，空氣不流通，混凝土水化熱不能及時擴散，箱室內溫度逐漸升高而引起內外溫差過大。小箱梁澆筑不屬于大體積混凝土施工，施工方案制定時易忽略其水化熱影響，從而導致混凝土水化熱產生的溫度影響占主導因素，其它因素相互耦合而開裂。因此薄壁小箱梁澆筑時建議如下:①加強箱室內通風;②降低混凝土入模溫度;③水泥過熟化期后再使用以降低水泥水化熱。

［1］黃志福，葉雨霞.大體積承臺混凝土水化熱及溫控措施［J］.工程與建設，2008，22(1):14 －16.

［2］李榮耀，李獻偉.大體積高性能混凝土溫度裂縫性質及養(yǎng)護時的溫度控制［J］.建設與工程，2008，29:186.

［3］牛麗坤，任雙宏.大體積粉煤灰混凝土水化熱及溫度應力的有限元分析［J］.粉煤灰，2008(4):38－42.

［4］吳先友.橋梁工程中大體積混凝土裂縫的原因與控制［J］.黑龍江交通科技，2008(11):76－77.

［5］JTJ 041－2000，公路橋涵施工技術規(guī)范［S］.

［6］胡柏學，羅陽青.某特大橋5～8號墩右幅箱梁頂板裂縫診斷分析報告［Z］.湖南省交通科學研究院，2011.

［7］方 志，鄧屹松，汪建群.某特大橋主橋箱梁右幅58、59號墩2～3塊現(xiàn)場檢測及受力分析報告［Z］.湖南大學，2011.

［8］北京邁達斯技術有限公司.MIDAS使用說明［Z］.

［9］midas fea_水化熱參數(shù)化分析［EB/OL］.http://wenku.baidu.com.