拱腳混凝土水化溫度應力與裂縫控制研究

高明洲 楊家仕

(中鐵九局集團有限公司，遼寧 沈陽 110051)

拱腳混凝土水化溫度應力與裂縫控制研究

高明洲 楊家仕

(中鐵九局集團有限公司，遼寧 沈陽 110051)

以杭長客專烏溪江鋼管混凝土提籃式系桿拱橋為背景，采用現(xiàn)場測試與數(shù)值模擬分析相結(jié)合的研究方法，對混凝土拱腳溫度應力及可能產(chǎn)生的早期表面溫度裂縫寬度進行了分析與預測，研究了控制早期開裂的施工技術(shù)措施以及構(gòu)造措施，以減少早期溫度應力，降低裂縫的產(chǎn)生幾率。

拱腳，混凝土，溫度應力，裂縫控制

1 概述

開展拱橋拱腳段混凝土早期裂縫問題的系統(tǒng)分析研究，理清早期裂縫產(chǎn)生的原因和機理，并在此基礎上研究其控制對策，力爭突破困擾橋梁施工技術(shù)人員的技術(shù)難題，其研究成果具有重大的理論意義和實用價值。

杭長客專烏溪江鋼管混凝土提籃式系桿拱橋主橋為下承式鋼管混凝土提籃式系桿拱橋，全長132 m，計算跨徑128 m，矢跨比為f/l=1/5，拱肋平面內(nèi)矢高25.6 m，拱肋采用懸鏈線線形，懸鏈線方程為(拱肋平面)：

y=f(chkξ-1)/(m-1)。

拱肋采用啞鈴形鋼管混凝土截面，系梁按整體箱梁布置，拱腳順橋向8.0 m范圍內(nèi)設成實體段，吊桿采用尼爾森體系，兩拱肋之間設置五道橫撐，拱頂處設X形撐，拱頂至兩拱腳間設4道K形橫撐(見圖1)。

2 拱腳段混凝土水化溫度與應力測試

2.1 測試系統(tǒng)與設備

JMZR—2000無線自動綜合測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)由計算機系統(tǒng)軟件、無線收發(fā)儀、無線采集單元等組成。傳感器(溫度計、應變計)的引線采用水工電纜，在每個截面匯集后再集中到某位置引出，通過JMZR—2000無線自動綜合測試系統(tǒng)連接到計算機。

2.2 測點布置與測試過程

拱腳試驗段測點總體布置圖如圖2所示。

溫度場測試結(jié)果見圖3～圖5。

應力場測試結(jié)果見圖6。

根據(jù)以上測試結(jié)果可知：

1)混凝土水化溫度測試結(jié)果符合一般規(guī)律，即早期溫度高，后期緩慢下降，同時由于受外部環(huán)境溫度的影響而呈現(xiàn)日波動現(xiàn)象，特別是拱腳混凝土表面溫度的日波動現(xiàn)象非常明顯。

2)表面測點在早期會出現(xiàn)拉應力，最大名義拉應力達到2.5 MPa，出現(xiàn)在混凝土澆筑后5 d左右?？紤]到混凝土收縮等影響，實際拉應力比名義拉應力要小，但由于拉應力值較大，因此拱腳段混凝土表面出現(xiàn)早期裂縫的可能性是存在的。

3)不同于一般大體積混凝土表面早期受拉后期變?yōu)槭軌旱那闆r，拱腳段混凝土的測試結(jié)果表明有部分表面應力測點在后期溫降收縮后依然表現(xiàn)為拉應力。拱肋鋼管預埋在混凝土內(nèi)，拱腳段內(nèi)的拱肋鋼管將本為整體的混凝土隔離，這是拱腳段混凝土易于開裂的一個主要影響因素。

3 溫度與應力場數(shù)值模擬與分析

根據(jù)拱腳有限元模型、拱腳有限元模擬結(jié)果及拱腳裂縫模擬結(jié)果，可以估算得裂縫平均寬度為：

估算其最大裂縫寬度為：

wmax=2×wm=0.066 mm。

通過溫度場和應力場的對比分析發(fā)現(xiàn)，溫度場的實測數(shù)據(jù)與理論計算結(jié)果實測基本吻合，應力場的實測數(shù)據(jù)與理論計算結(jié)果存在一定的偏差，但是溫度和應力變化規(guī)律是一致的，說明計算模型的正確，模擬工況與實際過程相符。

4 拱腳裂縫控制措施

4.1 控制措施

優(yōu)化混凝土選材、控制混凝土溫度及加強施工管理。對拱腳表面采用木模板、鋼模板以及油毛氈進行保溫措施時，計算得到的拱腳表面應力最大時刻，表面主拉應力為4.3 MPa；對拱腳表面設置1 cm厚泡沫塑料板進行裂縫控制，表面主拉應力為2.5 MPa，但其應力值仍然超過此時的混凝土強度；繼而對拱腳表面采用2 cm厚的泡沫塑料板，計算得到原拱腳表面應力最大時刻對應的表面主拉應力為1.6 MPa，小于此刻的混凝土強度，因此可有效的避免早期裂縫的出現(xiàn)。采用這種保溫的措施來避免開裂，實質(zhì)是通過增加表面的溫度來避免較大的內(nèi)外溫差。因而，施工過程中要注意保證保溫的時間，使拱腳緩慢降溫，避免過大內(nèi)外溫差的出現(xiàn)。

4.2 控制開裂措施

在對裂縫進行模擬的基礎上，提出了防治拱腳表面裂縫的措施，即在拱腳表面布置與裂縫伸展方向相垂直的精軋螺紋鋼，通過張拉預應力的方法加強拱腳與系梁的整體性，消除主拉應力。

5 結(jié)語

在對溫度場與溫度應力場分析理論總結(jié)概括的基礎上，提出了與有限元軟件相結(jié)合的方法。混凝土水化溫度測試結(jié)果符合一般規(guī)律，因此拱腳段混凝土表面出現(xiàn)早期裂縫的可能性是存在的。如早期出現(xiàn)裂縫，那么后期的壓應力也有使裂縫減小甚至閉合的可能。可以減小早期溫度應力、降低產(chǎn)生早期裂縫的幾率。研究成果可為類似工程提供借鑒。

Study on temperature stress and crack control of arch springing concrete hydration

Gao Mingzhou Yang Jiashi

(ChinaRailway9thBureauGroupCo.,Ltd,Shenyang110051,China)

Taking the basket handle tied arch bridge of Wuxijiang steel pipe concrete of Hang-Chang passenger special railway line as the background, applying the research methodology of field testing in combination with numerical simulation analysis, the paper analyzes and predicts concrete arch springing temperature stress and early surface temperature cracking width, and makes a study of controlling early cracking construction technology and structural measures, with a view to reduce early temperature stress and reduce cracking ratio.

arch springing, concrete, temperature stress, crack control

2015-01-26

高明洲(1971- )，男，高級工程師

1009-6825(2015)10-0150-02

U445.57

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