橋臺(tái)裂縫的溫度場(chǎng)效應(yīng)研究

宋 軍，周建庭，王 楊

（重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)，重慶 400074）

橋臺(tái)裂縫的溫度場(chǎng)效應(yīng)研究

宋 軍，周建庭，王 楊

（重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)，重慶 400074）

以重慶盤(pán)溪路大石壩立交工程為例，從溫度場(chǎng)理論出發(fā)，研究了冬季降溫產(chǎn)生的溫度應(yīng)力對(duì)如橋臺(tái)結(jié)構(gòu)的大體積混凝土應(yīng)力變化的影響;應(yīng)用有限元軟件對(duì)橋臺(tái)背面進(jìn)行切縫處理，研究切縫后的橋臺(tái)應(yīng)力場(chǎng)分布情況。研究結(jié)果表明:橋臺(tái)的外側(cè)受溫度影響比內(nèi)側(cè)受溫度影響更為敏感，在降溫時(shí)候外側(cè)更容易開(kāi)裂，在橋臺(tái)背面適當(dāng)位置增加豎向切縫后，橋臺(tái)的溫度應(yīng)力集中現(xiàn)象將獲得釋放。

約束;大體積混凝土;溫度應(yīng)力;應(yīng)力變化

1 工程概況

盤(pán)溪路為重慶市大石壩組團(tuán)B、E、G標(biāo)準(zhǔn)分區(qū)中的南北向的城市主干道，起于紅石路上大石壩立交，終于江北區(qū)區(qū)界，全長(zhǎng)4 733 m。上部結(jié)構(gòu)采用跨徑30 m+30 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，全橋分兩幅箱梁，每幅之間設(shè)置50 cm的現(xiàn)澆濕接縫。左右兩幅箱梁沿橋梁中心線對(duì)稱布置，單幅箱梁采用直腹式單箱四室斷面，箱梁頂板寬16.70 m，梁高1.80 m，頂?shù)装搴穸?.25 m，中腹板厚度為0.50 m。

根據(jù)地質(zhì)資料，本橋橋臺(tái)設(shè)計(jì)為擴(kuò)大基礎(chǔ)+重力式橋臺(tái)形式，其中擴(kuò)大基礎(chǔ)分兩層，每層厚1.00 m，基礎(chǔ)嵌入中風(fēng)化深度不小于0.80 m，嵌入深度應(yīng)從安全襟邊不小于5 m起算，基底容許承載力不小于1 MPa。橋臺(tái)采用片石混凝土U型橋臺(tái)。0#橋臺(tái)見(jiàn)圖1。

圖10 #橋臺(tái)（1∶300）Fig.1 0#abutment

2 有限元法計(jì)算溫度場(chǎng)理論

當(dāng)結(jié)構(gòu)的各個(gè)部位有同樣的升溫或者降溫的時(shí)候，其具有均勻的膨脹或收縮，假設(shè)沒(méi)有外界約束，則結(jié)構(gòu)的狀態(tài)為自由變形，同時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力［1-3］:只有當(dāng)結(jié)構(gòu)受冷熱影響同時(shí)又受外界位移約束，或者內(nèi)部受冷熱不均勻的時(shí)候，其變形受到了限制才會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力。用位移法［4-8］分析結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力，計(jì)算熱變形是按溫度場(chǎng)的改變來(lái)推導(dǎo)的，進(jìn)而才可以計(jì)算應(yīng)力。結(jié)構(gòu)中每一點(diǎn)的總應(yīng)變{ε}是熱應(yīng)變{ε}T與彈性應(yīng)變{ε}E的和，即{ε}={ε}E+{ε}T，見(jiàn)式（1）、式（2）:

式中:α為材料熱膨脹系數(shù);{δ}e為單元的節(jié)點(diǎn)位移。此時(shí)可用前一步計(jì)算溫度場(chǎng)時(shí)所劃分的單元網(wǎng)格，對(duì)單元內(nèi)任一點(diǎn)的溫升ΔT和位移{u}進(jìn)行插值:

式中:［N］T，［N］分別為對(duì)溫度和位移的形函數(shù)。

則溫升產(chǎn)生的應(yīng)力如式（3），式中:［B］代表應(yīng)變矩陣;［D］為平面問(wèn)題彈性系數(shù)矩陣。

有限元單元的彈性勢(shì)能如式（4）:

話題轉(zhuǎn)向紫云，她的心弦驟然繃緊。水老師拿起那只白瓷兔，把林志喊進(jìn)來(lái)，拍著他的腦袋，問(wèn)道：“你真的喜歡紫云嗎？”

按式（5）求出節(jié)點(diǎn)位移{δ}后，可根據(jù)式（1）求出某單元內(nèi)的任意點(diǎn)的應(yīng)變，再由式（3）求出對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫度應(yīng)力。

3 橋臺(tái)病害情況

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，上跨盤(pán)溪路橋橋臺(tái)和在施工過(guò)程中均出現(xiàn)大量裂縫，包括0#、2#橋臺(tái)外側(cè)、內(nèi)側(cè)以及橋臺(tái)的頂部，均出現(xiàn)了不少的裂縫。現(xiàn)場(chǎng)橋臺(tái)的局部裂縫見(jiàn)圖2，橋臺(tái)整體裂縫分布見(jiàn)圖3。初步判定其裂縫產(chǎn)生的原因是由于冬天的氣溫急劇降低導(dǎo)致混凝土內(nèi)部拉應(yīng)力過(guò)大引起的。

圖2 橋梁裂縫分布實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.2 Distribution of the measured results of bridge cracks

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，0#橋臺(tái)共有27條裂縫，2#橋臺(tái)共有24條裂縫，橋臺(tái)裂縫匯總見(jiàn)表1。裂縫基本上均為豎向裂縫，僅2#橋臺(tái)有1條斜裂縫。裂縫寬度在0.2 ～2.0 mm 范圍之間。

表1 橋臺(tái)裂縫統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistical table of abutment crack

圖3 0#橋臺(tái)外側(cè)、內(nèi)側(cè)裂縫描述（1∶300）Fig.3 Lateral＆ medial fracture description of 0#abutment

4 橋臺(tái)溫度荷載計(jì)算

采用實(shí)體有限元軟件對(duì)橋臺(tái)進(jìn)行溫度計(jì)算，由于實(shí)際工程施工期為冬季，考慮降溫10℃對(duì)橋臺(tái)的影響，同時(shí)兼顧橋臺(tái)的對(duì)稱性，采用建模方法如下:

2）采用C3D8R實(shí)體單元對(duì)橋臺(tái)進(jìn)行建模;

3）環(huán)境溫度整體降溫10℃;

4）橋臺(tái)底部固結(jié)。

橋臺(tái)模型及網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖4。

圖4 橋臺(tái)半幅有限元模型及網(wǎng)格劃分Fig.4 Abutment half frame finite element model and the mesh

由JTG D 62—2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》［9］可知，C25混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值及抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值分別為 1.78，1.23 MPa。橋臺(tái)混凝土出現(xiàn)裂縫的主要原因是抗拉強(qiáng)度不足。從有限元計(jì)算結(jié)果中提取橋臺(tái)有代表性的單元查看其主拉應(yīng)力的大小，如圖5。

圖5 橋臺(tái)內(nèi)側(cè)及橋臺(tái)外側(cè)應(yīng)力分布Fig.5 Medial and lateral abutment stress distribution

表2 橋臺(tái)切縫前后應(yīng)力對(duì)比Table 2 Stress contrast before and after abutment joint cutting

從切縫前后的關(guān)鍵單元計(jì)算結(jié)果（表2）來(lái)看，在切縫后橋臺(tái)內(nèi)側(cè)、外側(cè)的主拉應(yīng)力均有一定幅度的減小，也就是說(shuō)切縫對(duì)于這樣的大體積混凝土有利于其應(yīng)力的釋放，有利于溫度能量的耗散。

有限元計(jì)算結(jié)果看在環(huán)境降溫10℃后，引起混凝土的主拉應(yīng)力由橋臺(tái)側(cè)墻向中間逐漸增加（除去橋臺(tái)底部固結(jié)約束導(dǎo)致的單元應(yīng)力失真），主拉應(yīng)力最大值發(fā)生在橋臺(tái)的中部位置，大小為2.07～2.29 MPa，已超過(guò)了混凝土規(guī)范允許設(shè)計(jì)值，易導(dǎo)致橋臺(tái)裂縫的出現(xiàn)。

對(duì)橋臺(tái)整體的有限元計(jì)算得到以下結(jié)論:

1）在外界溫度降溫10℃的情況下，橋臺(tái)外側(cè)中部發(fā)生了較大的拉應(yīng)力，最大為2.29MPa。

2）橋臺(tái)在溫度影響下，主拉應(yīng)力的變化趨勢(shì)是由中部向外部逐漸減小。

3）橋臺(tái)的外側(cè)受溫度影響比內(nèi)側(cè)受溫度影響更為敏感，在降溫時(shí)候外側(cè)更容易開(kāi)裂。

4）橋臺(tái)側(cè)墻外側(cè)混凝土溫度影響比側(cè)墻內(nèi)側(cè)較敏感，側(cè)墻外側(cè)中部拉應(yīng)力較大，容易開(kāi)裂。

5 切縫處理

考慮到橋臺(tái)為大體積混凝土，當(dāng)溫度升高或者降低時(shí)，混凝土將發(fā)生變形，若變形遭到約束，則在結(jié)構(gòu)內(nèi)將產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)即產(chǎn)生溫度裂縫，為減少橋臺(tái)自身相互作用使裂縫開(kāi)展，可考慮進(jìn)行切縫處理。

考慮橋臺(tái)外側(cè)有1條豎向貫通切縫，切縫寬度1 cm，深度50 cm，考慮結(jié)構(gòu)降溫10℃，有限元模型及計(jì)算結(jié)果如圖6。

圖6 橋臺(tái)外側(cè)切縫整體有限元及內(nèi)外側(cè)應(yīng)力分布Fig.6 The whole finite element and the medial and lateral stress distribution of abutment joint

6 結(jié)論

1）當(dāng)橋臺(tái)中間有豎向貫通切縫的條件下，且外界溫度降溫10℃，橋臺(tái)外側(cè)的應(yīng)力變化顯示減小，最大應(yīng)力為2.05 MPa，比沒(méi)有切縫前減少了0.24 MPa。

2）在有切縫的橋臺(tái)降溫影響下，主拉應(yīng)力的變化趨勢(shì)是由外部向中間逐漸增大，越靠近裂縫位置主拉應(yīng)力越大。

3）在有切縫情況下，總體來(lái)說(shuō)橋臺(tái)的外側(cè)受溫度影響比內(nèi)側(cè)受溫度影響更為敏感，在降溫時(shí)候外側(cè)更容易開(kāi)裂。

4）對(duì)于大體積混凝土橋臺(tái)增加適當(dāng)?shù)呢Q向切縫，有助于溫度應(yīng)力的分散。

5）建議自橋臺(tái)中縫起每隔2 m向兩側(cè)進(jìn)行切縫處理。切縫深度50 cm，寬度≤1 cm，用瀝青砂灌注切縫，豎向長(zhǎng)度從帽梁至基礎(chǔ)。

6）建議對(duì)橋臺(tái)采用四氟型氟碳涂料進(jìn)行隔熱防腐。此涂料隔熱效果好，耐候性強(qiáng)，耐玷污性良好，施工簡(jiǎn)單，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)條件采用噴涂、滾涂、刷涂皆可。

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JTG D 60—2004 General Code for Design of Highway［S］.Beijing:China Communications Press，2004:10-11.

Temperature Effect of Abutment Crack

Song Jun，Zhou Jianting，Wang Yang
（School of Civil Engineering＆ Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

Taking Chongqing Panxi Road Interchange Project as an example，the effect of temperature stress caused by cooling in winter on the stress change of mass concrete structures of bridge abutment is studied.Abutment back treatment is slit by finite element software and then the stress field distribution of bridge abutment stress is studied.Research results show that the effect of temperature on lateral abutment is more sensitive than the medial one.In the cooling time，the lateral is easier to crack;the increase of vertical slit at abutment back position is in favor of releasing the abutment temperature stress.

constraint;mass concrete;temperature stress;stress changes

U443.35

A

1674-0696（2013）02-0190-04

10.3969/j.issn.1674-0696.2013.02.04

2012-12-19;

2013-01-05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51278512/E080505）;重慶市重大科技攻關(guān)基金項(xiàng)目（CSTC2009AB6149）;重慶市杰出青年基金項(xiàng)目（CSTC2008BA6038）

宋 軍（1982—），男，山東威海人，博士研究生，主要從事橋梁設(shè)計(jì)理論與工程控制的研究。E-mail:984565891@qq.com。