連續(xù)剛構(gòu)箱梁懸臂澆筑節(jié)段混凝土裂縫成因及控制研究

戴利平

(宇航交通建設(shè)集團有限公司 杭州市 311100)

由于工作面局限,在進行連續(xù)剛構(gòu)箱梁懸臂澆筑施工時,難以對底板及外腹板進行充分養(yǎng)護,且受高性能混凝土材料自身特性影響,箱梁易在早期施工階段就出現(xiàn)較多裂縫。根據(jù)相關(guān)研究對連續(xù)剛構(gòu)混凝土箱梁橋裂縫的統(tǒng)計分析,裂縫組成的80%來源于非荷載引起的裂縫,其中混凝土收縮導(dǎo)致的裂縫又占主要部分[1]。因此在設(shè)計及施工過程中,研究混凝土裂縫機理及防治措施,對于減少連續(xù)剛構(gòu)混凝土箱梁裂縫具有重要意義。

1 工程概況

研究依托某跨河特大橋項目,大橋全長712m,其跨徑組成為預(yù)應(yīng)力簡支T梁2×30m+預(yù)應(yīng)力連續(xù)鋼構(gòu)(116m+220m+116m)+預(yù)應(yīng)力簡支轉(zhuǎn)連續(xù)剛構(gòu)T梁5×40m。橋梁的立面布置圖如圖1所示。大橋為單箱單室,箱底寬6.5m,箱頂寬12 m,箱梁跨中梁高4.2m。主梁采用掛籃施工工藝,對稱澆筑,施工段劃分為25個梁段,懸臂澆筑長度為3m、4m、5m 三種節(jié)段。橋梁采用C55混凝土進行澆筑,配合比為水泥∶粉煤灰∶礦粉∶細(xì)集料∶粗集料∶水=385∶50∶70∶790∶1005∶150。

圖1 橋梁立面布置圖(單位:m)

2 模型的建立

2.1 基本假設(shè)

模型的建立采用以下假設(shè):(1)混凝土內(nèi)各向同性;(2)澆筑時各部位混凝土初始溫度相同;(3)混凝土表面放熱系數(shù)在同種養(yǎng)護條件下保持一致;(4)混凝土溫度場不受鋼筋等構(gòu)件的影響[2]。

2.2 網(wǎng)格劃分

選取該特大橋第24號、第25號施工節(jié)段為對象,建立有限元模型,圖2(a)所示為第24號、第25號施工節(jié)段橫斷面尺寸圖。節(jié)段24、節(jié)段25均采用3D實體單元,最大尺寸10cm。模擬的澆筑過程分為兩個階段:第一階段澆筑第25號段混凝土,如圖2(b)所示。為模擬懸臂澆筑狀態(tài),將箱梁X-Z平面后端固定位移邊界;在模擬的第二階段澆筑第24號節(jié)段混凝土,如圖2(c)所示。通過對條件和參數(shù)的調(diào)整,模擬不同養(yǎng)護方式、不同風(fēng)速、不同溫度下的收縮應(yīng)力。

圖2 箱梁混凝土有限元分析模型

2.3 主要參數(shù)選取

(1)混凝土材料參數(shù)值

表1所示為混凝土材料的參數(shù)。

表1 材料參數(shù)情況

(2)混凝土彈性模量值

采用文獻中所推薦的C55混凝土彈性模量公式[3],計算各齡期下的混凝土彈性模量,通過試驗得到的標(biāo)養(yǎng)下材料彈性模量為4.36×104MPa,C55混凝土隨齡期的彈性模量公式為E(τ)=0.99×1.03×43600×(1-e-0.4τ0.6),其中τ為齡期,E(τ)為齡期時的混凝土彈性模量。表2所示為各齡期時的混凝土彈性模量取值。

表2 混凝土彈性模量隨齡期的變化情況

(3)混凝土表面放熱系數(shù)

3 不同因素下混凝土溫度及應(yīng)力的模擬計算

3.1 不同養(yǎng)護方式的影響

(1)自然養(yǎng)護方法

模擬采用濕麻袋覆蓋、間隔3h灑水的自然養(yǎng)護方式,此方式在公路橋梁養(yǎng)護中最為常見。模擬灑水養(yǎng)護針對箱梁頂板及內(nèi)部進行,底板及外側(cè)板不進行養(yǎng)護作為對照,對箱梁表面各部位的放熱系數(shù)取值情況如表3所示?；炷料淞焊鞑课辉诟鼾g期下的溫度及收縮應(yīng)力情況如圖3所示。分析圖3可以發(fā)現(xiàn),箱梁澆筑齡期的增長對其表面溫度及收縮應(yīng)力有顯著影響,尤其是在不同片箱梁的交接處,在養(yǎng)護48h時應(yīng)力達(dá)到最大值4.78MPa,最大拉應(yīng)力位于箱梁腹板下部倒角處,而混凝土內(nèi)部溫度及收縮應(yīng)力的變化則不明顯。

表3 自然養(yǎng)護下箱梁表面等效放熱系數(shù) 單位:kJ/(m·h·℃)

圖3 自然養(yǎng)護箱梁各齡期主拉應(yīng)力云圖

(2)復(fù)合養(yǎng)護方法

項目復(fù)合養(yǎng)護方法采用“底板底模內(nèi)附模貼+自動噴霧+局部人工灑水”的方法,實現(xiàn)梁段的全面養(yǎng)護。在澆筑初期,通過在箱梁底模上粘貼模貼,使底板混凝土在澆筑初期即開始保持持續(xù)的濕養(yǎng)護。對于底板模板、頂板頂面外的裸露部分,采取二次抹面、灑水覆蓋薄膜養(yǎng)護等方式,及時進行人工灑水養(yǎng)護。箱梁表面各部位的等效放熱系數(shù)取值根據(jù)上文公式計算,結(jié)果如表4所示。箱梁溫度及收縮應(yīng)力情況如圖4所示。

表4 復(fù)合養(yǎng)護下箱梁表面等效放熱系數(shù) 單位:kJ/(m·h·℃)

圖4 復(fù)合養(yǎng)護箱梁各齡期主拉應(yīng)力云圖

模擬計算表明,在復(fù)合養(yǎng)護條件下,混凝土應(yīng)力與澆筑齡期的關(guān)系與自然養(yǎng)護下的趨勢圖大體一致。在48h達(dá)到最大拉應(yīng)力值4.37MPa,最大拉應(yīng)力位于箱梁底板處,但是最大主拉應(yīng)力相比自然養(yǎng)護下減少了8.5%。對兩種養(yǎng)護方式下混凝土箱梁水化熱溫度及最大應(yīng)力與齡期變化的規(guī)律進行分析,可以發(fā)現(xiàn),混凝土箱梁節(jié)段的水化熱溫度、收縮應(yīng)力均在36～60h內(nèi)達(dá)到最大值。采用復(fù)合養(yǎng)護方式時,頂板與底板局部應(yīng)力明顯減小,最大主拉應(yīng)力相比自然養(yǎng)護下降較為明顯。相鄰混凝土節(jié)段在交界處應(yīng)力水平較大,原因在于混凝土節(jié)段的先后澆筑導(dǎo)致其齡期存在差異,進而水化溫度與收縮速率不同,在前后澆筑的銜接面先產(chǎn)生裂縫[3]。同時分析發(fā)現(xiàn),采用底板模貼養(yǎng)護方法,能夠有效降低混凝土局部應(yīng)力,混凝土箱梁的整體應(yīng)力下降較明顯,此種養(yǎng)護方式有利于減少箱梁的收縮裂縫。

3.2 不同環(huán)境溫度的影響

根據(jù)項目所在地全年日均氣溫情況,模擬溫度選擇五個梯度: 5℃、10℃、20℃、30℃和40℃。等效放熱系數(shù)值采用復(fù)合養(yǎng)護方法下的系數(shù)值,如表4所示。入模溫度統(tǒng)一設(shè)定為30℃,模擬計算不同環(huán)境溫度下,混凝土箱梁主拉應(yīng)力的變化情況,如圖5所示。此處只展示各個溫度下混凝土出現(xiàn)最大拉應(yīng)力時的應(yīng)力云圖。

圖5 不同環(huán)境溫度下箱梁最大主拉應(yīng)力云圖

分析模擬計算結(jié)果,當(dāng)環(huán)境溫度分別為5℃、10℃、20℃、30℃、40℃時,混凝土箱梁在48h齡期時達(dá)到的最大主拉應(yīng)力分別為5.79MPa、5.34MPa、4.59MPa、4.37MPa、4.37MPa,且最大拉應(yīng)力均位于箱梁底板處。當(dāng)環(huán)境溫度為5℃時,混凝土箱梁水化溫度及收縮應(yīng)力均較大,在48h齡期下的應(yīng)力超過混凝土極限抗拉強度的20%。當(dāng)齡期均為48h時,20～30℃環(huán)境溫度下的混凝土箱梁主拉應(yīng)力較小,相比5℃時降低24.2%,相比40℃澆筑時降低19.5%。表明在相同養(yǎng)護齡期下,混凝土箱梁主拉應(yīng)力與環(huán)境溫度的關(guān)系,表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢。原因在于當(dāng)溫度從5℃升高至30℃時,混凝土內(nèi)部與外部的溫差逐漸降低,主拉應(yīng)力隨之減小;當(dāng)溫度從30℃繼續(xù)升高時,內(nèi)外部溫差再次增加,主應(yīng)力隨之增大。因此在梁段澆筑時,應(yīng)注意保溫保濕養(yǎng)護,避免混凝土內(nèi)外部溫差過大。

3.3 不同風(fēng)速的影響

根據(jù)項目所在地氣象統(tǒng)計資料,該地日平均風(fēng)速范圍為0～5m/s,試驗?zāi)M箱梁節(jié)段在自然養(yǎng)護條件、30℃環(huán)境溫度、三種不同風(fēng)速(0、3m/s、5m/s)下,箱梁溫度及收縮應(yīng)力的變化。各風(fēng)速下的等效放熱系數(shù)取值如表5所示。不同風(fēng)速下箱梁最大主拉應(yīng)力情況如圖6所示。

表5 各風(fēng)速下的等效放熱系數(shù)取值情況 單位:kJ/(m·h·℃)

圖6 不同風(fēng)速下箱梁最大主拉應(yīng)力云圖

由圖6可知,在風(fēng)速為0時,混凝土內(nèi)外溫差較小,箱梁水化溫度及收縮應(yīng)力隨著齡期變化的趨勢較為緩慢,但仍呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,箱梁在72h時達(dá)到最大主拉應(yīng)力3.86MPa。當(dāng)風(fēng)速為3m/s時,梁段在各養(yǎng)護齡期下的主應(yīng)力相比0風(fēng)速時有所增加,原因在于風(fēng)速增大導(dǎo)致內(nèi)外部存在較大溫度梯度,應(yīng)力增加,48h時最大應(yīng)力出現(xiàn)在腹板下部倒角處,值為4.78MPa,當(dāng)風(fēng)速為5m/s時,溫度梯度與應(yīng)力相比風(fēng)速為3m/s時增加更為明顯,且變化速度較快,原因在于混凝土表面溫度下降加快,內(nèi)外部溫差迅速增大,主拉應(yīng)力增長明顯。48h時箱梁最大應(yīng)力出現(xiàn)在箱梁底板處,值為4.99MPa,相比0風(fēng)速增大了29.3%。因此隨著風(fēng)速的增加,混凝土箱梁內(nèi)外部溫差增大,主拉應(yīng)力也隨之增大,在混凝土澆筑與養(yǎng)護時,應(yīng)當(dāng)采取防風(fēng)措施。

3.4 連續(xù)剛構(gòu)混凝土箱梁早期裂縫控制措施

大橋采用“底板底模模貼+自動噴霧+人工養(yǎng)護”的復(fù)合養(yǎng)護方法,有效保證了混凝土箱梁各部位的及時充分養(yǎng)護,模擬結(jié)果與實踐結(jié)果均表明,復(fù)合養(yǎng)護方法能較為顯著地降低箱梁局部應(yīng)力,減少混凝土整體應(yīng)力及前期裂縫。同時,環(huán)境溫度和風(fēng)速對于混凝土表面散熱情況、內(nèi)外部溫差有重要影響,直接影響混凝土內(nèi)部應(yīng)力的發(fā)展趨勢。因此可以采取降低前后箱梁節(jié)段澆筑的時間間隔、薄膜覆蓋減少混凝土內(nèi)外部溫度差、增加防風(fēng)措施等方式,減少混凝土在澆筑及前期養(yǎng)護環(huán)節(jié)出現(xiàn)的裂縫。

4 結(jié)論

在兩種養(yǎng)護方式(自然養(yǎng)護、復(fù)合養(yǎng)護)下,混凝土表面溫度、收縮應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在36～60h范圍內(nèi)。在環(huán)境溫度和風(fēng)速一致時,采用復(fù)合養(yǎng)護方式的混凝土箱梁主拉應(yīng)力明顯減小;在養(yǎng)護方式與風(fēng)速一致時,外界環(huán)境溫度與混凝土澆筑溫度的溫差小,混凝土溫度梯度小、主拉應(yīng)力小,混凝土的開裂較少;當(dāng)養(yǎng)護方式與溫度相同時,風(fēng)速增加,箱梁內(nèi)外部溫度梯度增大,箱梁主拉應(yīng)力增大明顯,混凝土開裂面積明顯增加。因此對于連續(xù)剛構(gòu)箱梁混凝土澆筑及養(yǎng)護,建議采用復(fù)合式養(yǎng)護方式,同時采取降低前后節(jié)段澆筑的時間間隔、薄膜覆蓋減少混凝土內(nèi)外部溫度差、增加防風(fēng)圍擋等措施,有效減少混凝土裂縫。