某雙幅雙塔四索面矮塔斜拉橋混凝土箱梁局部早期收縮裂縫分析

吳 慶，徐文蘇，李 光

(江蘇科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

大體積混凝土在施工過(guò)程中的裂縫控制一直是困擾工程技術(shù)人員的一大難題，其中一項(xiàng)重要原因就在于混凝土自身水化熱效應(yīng)難以避免［1］.如果采用分層澆筑的方式，各澆筑層結(jié)合面處由于混凝土齡期不同，后澆筑混凝土的收縮變形受到先澆混凝土的約束而產(chǎn)生拉應(yīng)力［2］.一旦該拉應(yīng)力超過(guò)混凝土對(duì)應(yīng)齡期的抗拉強(qiáng)度，就會(huì)出現(xiàn)裂縫災(zāi)害，影響結(jié)構(gòu)安全.

混凝土箱梁0號(hào)塊體積較大，在分層澆筑過(guò)程中如果不對(duì)混凝土收縮效應(yīng)加以考慮，極易導(dǎo)致分層結(jié)合面出現(xiàn)裂縫［3］.影響混凝土收縮變形的因素有很多，如構(gòu)件尺寸、外界環(huán)境和材料自身特性等.文中以鹽城某矮塔斜拉橋施工過(guò)程中0號(hào)塊頂板出現(xiàn)裂縫為工程背景，從施工控制的角度，對(duì)箱梁早期裂縫進(jìn)行了分析研究，為今后國(guó)內(nèi)外相關(guān)工程的施工提供理論參考.

1 工程背景及分析模型

鹽城某雙幅雙塔四索面矮塔斜拉橋，主梁半幅采用單箱三室小懸臂斜腹板斷面.其中0號(hào)塊箱梁長(zhǎng)12.0 m，橋面寬度為24.25 m，中支點(diǎn)6 m范圍內(nèi)梁高8.0 m，向外至0號(hào)塊斷面梁高線(xiàn)性變化為7.77 m，同時(shí)頂板、底板和腹板厚度均有不同程度變小.0號(hào)塊端點(diǎn)斷面圖如圖1.

圖1 0號(hào)塊斷面(單位:cm)Fig.1 Section of block 0(unit:cm)

右幅9#墩上0號(hào)塊梁段在澆筑后不久出現(xiàn)裂縫，裂縫主要發(fā)生在箱室上方的頂板靠近腹板和橫隔板處(圖2).從現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)結(jié)果總結(jié)出，雖然裂縫分布較廣，主要較大裂縫出現(xiàn)在腹板和橫隔板處，且開(kāi)展方向與腹板和橫隔板方向相同.查找施工記錄，發(fā)現(xiàn)該0號(hào)塊第一次混凝土澆筑時(shí)間為2013年8月1日，當(dāng)天澆筑完成.第二次澆筑時(shí)間原計(jì)劃在8月12日，但由于天氣等其他原因，推遲到8月29日才完成.

圖2 頂板裂縫位置(單位:m)Fig.2 Position of roof cracks(unit:m)

研究選取整個(gè)0號(hào)塊為對(duì)象進(jìn)行箱梁0號(hào)塊的收縮特性分析.利用大型有限元分析軟件ANSYS建立0號(hào)塊裂縫有限元模型，暫不考慮普通鋼筋對(duì)混凝土收縮的約束作用.根據(jù)0號(hào)塊的對(duì)稱(chēng)性，選取箱梁1/4作為研究對(duì)象.C55鋼筋混凝土采用SOLID65單元模擬，彈性模量為3.55×104MPa，線(xiàn)膨脹系數(shù)為1×10-5，不考慮重力效應(yīng).混凝土邊界條件采用對(duì)稱(chēng)截面施加對(duì)稱(chēng)約束，收縮效應(yīng)利用等效溫降的方法進(jìn)行模擬［4］.0號(hào)塊空間有限元模型如圖3.

圖3 0號(hào)塊有限元模型Fig.3 Finite element model of block 0

2 箱梁0號(hào)塊混凝土收縮效應(yīng)分析

在箱梁0號(hào)塊收縮效應(yīng)分析中，考慮混凝土分層澆筑間隔時(shí)間為28 d，計(jì)算齡期至3個(gè)月后兩澆筑層收縮差異最大時(shí)期應(yīng)力分布［5］.第一次混凝土澆筑到距離箱梁頂面1m處，其余為后澆層，根據(jù)等效溫降原理對(duì)后澆層收縮當(dāng)量溫差-15℃處理［6-7］.本次模擬僅考慮后澆混凝土的收縮作用，對(duì)于結(jié)構(gòu)自重、預(yù)應(yīng)力和混凝土徐變效應(yīng)均不予考慮.

2.1 0號(hào)塊整體收縮效應(yīng)分析

有限元計(jì)算結(jié)果表明，箱梁0號(hào)塊單獨(dú)在收縮效應(yīng)作用下，大部分主體應(yīng)力在0.92 MPa以下，主要拉應(yīng)力區(qū)域集中在頂板上，拉應(yīng)力較大區(qū)域與實(shí)測(cè)頂板裂縫位置大致吻合.從圖4中可以看出，頂板與橫隔板板交界處的主拉應(yīng)力遠(yuǎn)大于其他部位，腹板斷面兩澆筑層結(jié)合面處產(chǎn)生很大應(yīng)力集中.說(shuō)明后澆層在自身收縮變形過(guò)程中受到先澆層的約束作用，拉應(yīng)力主要集中在頂板與腹板交接面.同時(shí)，可以看出除個(gè)別倒角之外，在頂板厚度變化區(qū)域主應(yīng)力最大，應(yīng)力值在1.49～2.06 MPa范圍內(nèi).

圖4 0號(hào)塊主應(yīng)力云圖Fig.4 Principal stress nephogram of block 0

2.2 頂板收縮應(yīng)力分析

選取圖2中豎向m-m截面和n-n截面作為研究路徑，其中m-m截面為沿順橋向中心線(xiàn)的豎向截面，n-n截面為橫隔板端處橫橋向斷面.在斷面與頂板頂面交線(xiàn)上取若干點(diǎn)的主拉應(yīng)力作圖，如圖5(圖中LH為距橫橋向中心線(xiàn)的距離，LS為順橋向中心線(xiàn)的距離).

圖5 截面應(yīng)力分布圖Fig.5 Stress distribution of sections

通過(guò)圖5兩截面應(yīng)力分布可知，截面測(cè)點(diǎn)主拉應(yīng)力總體偏大，最大應(yīng)力約為2.3 MPa.對(duì)于m-m截面，橫橋向應(yīng)力與主應(yīng)力接近重合，說(shuō)明最大主應(yīng)力方向與縱向一致;對(duì)于n-n截面，在0～2.5m范圍內(nèi)主應(yīng)力與橫橋向方向一致，2.5～8 m范圍內(nèi)仍由橫橋向拉應(yīng)力為主應(yīng)力做主要貢獻(xiàn)，8 m范圍以外主應(yīng)力方向轉(zhuǎn)變?yōu)轫槝蚍较?此現(xiàn)象表明橫隔板和腹板對(duì)頂板收縮應(yīng)力的分布有很大影響.

3 箱梁0號(hào)塊混凝土收縮裂縫參數(shù)研究

前述內(nèi)容以某橋箱梁0號(hào)塊頂板為例，分析了后澆層收縮效應(yīng)下頂板應(yīng)力的分布規(guī)律以及影響應(yīng)力分布的因素.在箱梁0號(hào)塊收縮裂縫參數(shù)研究中，分別對(duì)m-m截面和n-n截面在不同分層澆筑齡期、不同后澆層厚度和不同線(xiàn)膨脹系數(shù)下收縮應(yīng)力的變化規(guī)律進(jìn)行研究.

3.1 分層澆筑齡期間隔的影響

在進(jìn)行不同分層澆筑齡期對(duì)混凝土收縮裂縫影響的研究中，分別考慮前后澆筑層齡期間隔取為7，14，21，28 d，對(duì)應(yīng)混凝土收縮當(dāng)量溫差分別為-8.1，-11.5，-13.8，-15℃.

圖6 不同齡期截面應(yīng)力對(duì)比Fig.6 Comparison of different ages for section stress

從圖6中可以看出，分層澆筑齡期的大小對(duì)頂板應(yīng)力值影響很大而對(duì)頂板的應(yīng)力分布影響并不明顯.每增加7d的齡期間隔，箱梁頂板的主應(yīng)力值分別增加43.8%，17.4%和11.1%，這符合混凝土隨齡期增長(zhǎng)收縮逐漸減緩的規(guī)律［8-9］.

以上分析說(shuō)明，澆筑混凝土箱梁時(shí)，盡量減少分層澆筑間隔時(shí)間有利于控制收縮裂縫的發(fā)生，越早施工后澆層，混凝土的收縮效應(yīng)越小，越利于箱梁的裂縫控制.

3.2 不同后澆層厚度的影響

在進(jìn)行后澆層厚度對(duì)混凝土收縮裂縫影響的研究中，分別考慮后澆層澆筑高度取為1.0，1.5，2，2.5 m，計(jì)算齡期取后澆層3個(gè)月后的的應(yīng)力分布(圖7).

圖7 不同后澆層厚度截面應(yīng)力對(duì)比Fig.7 Comparison of different last layer thicknesses for section stress

從圖7中可以看出，后澆層厚度對(duì)頂板應(yīng)力的大小和分布均有很大影響.施工縫每下移0.5 m，頂板主應(yīng)力值相應(yīng)減小0.6 MPa左右，且減小值變化不大.隨著后澆層厚度的增加，應(yīng)力值顯著下降，應(yīng)力曲線(xiàn)逐漸趨于平滑也表明箱梁橫隔板和腹板對(duì)收縮應(yīng)變的約束作用越來(lái)越小.

以上分析表明，在箱梁施工階段充分考慮降低施工縫可以有效地降低頂板拉應(yīng)力，但降低施工縫對(duì)鋼筋綁扎及混凝土振搗要求較高，必須同時(shí)考慮施工工藝的可行性與操作簡(jiǎn)便性，選擇最科學(xué)和經(jīng)濟(jì)的施工方案.

3.3 不同線(xiàn)膨脹系數(shù)的影響

在進(jìn)行不同線(xiàn)膨脹系數(shù)對(duì)混凝土收縮裂縫影響的研究中，分別考慮線(xiàn)膨脹系數(shù)取為1×10-5，1.1 ×10-5，1.2 ×10-5和1.3 ×10-5，計(jì)算齡期取后澆層3個(gè)月后的應(yīng)力分布(圖8).

圖8 不同線(xiàn)膨脹系數(shù)截面應(yīng)力對(duì)比Fig.8 Comparison of different linear expansion factors for section stress

從圖8中可以看出，混凝土線(xiàn)膨脹系數(shù)每增大10%，應(yīng)力值相應(yīng)增加10%，混凝土頂板的主拉應(yīng)力與線(xiàn)膨脹系數(shù)基本呈線(xiàn)性關(guān)系，應(yīng)力分布規(guī)律沒(méi)有明顯變化.由此可見(jiàn)，箱梁的收縮應(yīng)力對(duì)混凝土材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)是比較敏感的.

在實(shí)際工程施工中，決定混凝土材料線(xiàn)膨脹系數(shù)的主要因素是外加劑的添加［10］.因此，在使用外加劑提高快硬混凝土性能的同時(shí)，必須把對(duì)材料線(xiàn)膨脹系數(shù)的影響考慮在內(nèi).

4 結(jié)論

文中以實(shí)際工程為背景，以箱梁0號(hào)塊為研究模型，對(duì)頂板的收縮效應(yīng)以及影響頂板收縮裂縫的因素參數(shù)進(jìn)行了分析，得出以下主要結(jié)論:

1)箱梁0號(hào)塊后澆層收縮效應(yīng)對(duì)整體應(yīng)力影響不大，但會(huì)導(dǎo)致頂板應(yīng)力集中，誘發(fā)早期裂縫的產(chǎn)生.

2)減小分層澆筑齡期可以降低收縮應(yīng)力，齡期越短，效應(yīng)減小越明顯;后澆層厚度對(duì)頂板收縮應(yīng)力有決定性作用，收縮接觸面的下移可大大降低頂板收縮應(yīng)力;收縮應(yīng)力與混凝土材料線(xiàn)膨脹系數(shù)大致呈線(xiàn)性關(guān)系.

3)箱梁頂板的早期收縮裂縫是可以通過(guò)控制施工參數(shù)減小收縮應(yīng)力來(lái)進(jìn)行預(yù)防的.

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