連續(xù)剛構(gòu)橋零號(hào)塊收縮效應(yīng)理論分析

施靜嫻

摘要： 連續(xù)剛構(gòu)橋跨越能力大、受力合理，被廣泛運(yùn)用于公路橋粱中，但隨著大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋的大量修建，箱梁梁體混凝土的各種裂縫問(wèn)題也在施工或使用過(guò)程慢慢凸顯出來(lái)，影響了橋梁結(jié)構(gòu)的安全性及耐久性。本文從某連續(xù)剛構(gòu)橋0#箱梁在施工完后出現(xiàn)的腹板裂縫檢測(cè)結(jié)果出發(fā)，分析了箱梁腹板大量非結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因。選取了中國(guó)、歐洲、美國(guó)、日本規(guī)范推薦使用的混凝土收縮計(jì)算常用的六種模型，詳細(xì)研究了箱梁收縮應(yīng)變差產(chǎn)生的情況；以及施工縫設(shè)置在不同位置，約束收縮主拉應(yīng)力的大小情況。結(jié)果顯示澆筑時(shí)間差導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生了不可忽略的約束收縮，施工時(shí)應(yīng)盡量減少時(shí)間差，施工若分層應(yīng)分在中性軸處。

Abstract： Continuous steel bridge is widely used in highway bridge because of its large span capacity and reasonable force supporting. But with the increasing of the number of large span continuous steel bridge， the cracks of concrete box girder appear a lot in construction or use process. Which affects the structural safety and durability of the bridge. Based on the test result of the web crack of the 0# girder of a continuous steel bridge after construction， this paper analyzes the causes of the large amounts of non-structural cracks of the box girder web. Six commonly used models for concrete shrinkage calculation recommended in the specification of China， Europe， America and Japan are selected to study the situation of box girder differential shrinkage strain ， and the constraints contraction principal tensile stress when construction joint is set in different positions. The results show that the pouring time difference of concrete produces a non-negligible cause of restrained shrinkage， so we should minimize the time difference in construction， and the construction should be divided at the neutral axis if required.

關(guān)鍵詞： 連續(xù)剛構(gòu)橋；混凝土；收縮；施工縫

Key words： continuous rigid frame bridge；concrete；shrinkage；construction joints

中圖分類(lèi)號(hào)：U448.27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2015）22-0103-05

0 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋擁有：跨越能力大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、受力合理、行車(chē)平順舒適、工程造價(jià)低、外觀簡(jiǎn)潔優(yōu)美等優(yōu)點(diǎn)，良好的使用性，使其成為大跨徑橋梁選型里極具競(jìng)爭(zhēng)力的橋型之一，被廣泛地運(yùn)用于公路及城市橋梁中。

但隨著大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋的大量修建，箱梁梁體混凝土的各種裂縫問(wèn)題也在施工或使用過(guò)程慢慢凸顯出來(lái)，破壞了橋梁的美觀，影響了橋梁結(jié)構(gòu)的安全性及耐久性。本文以某高速公路連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)檠芯勘尘?，從混凝土收縮的角度出發(fā)，對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋在零號(hào)塊施工中，箱梁腹板開(kāi)裂的原因進(jìn)行了分析探究。

混凝土收縮的機(jī)理比較復(fù)雜，是目前還沒(méi)有完全解決的課題，計(jì)算混凝土收縮效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型眾多，計(jì)算結(jié)果差異較大。因此，本文在計(jì)算過(guò)程中，選取了國(guó)內(nèi)外六種規(guī)范推薦使用的計(jì)算模型進(jìn)行分析。

1 混凝土收縮效應(yīng)計(jì)算理論

混凝土收縮、徐變的計(jì)算理論眾多，本文選取的六種計(jì)算理論分別為：中國(guó)JTJ023-85和JTG D62-2004規(guī)范、歐洲規(guī)范CEB-FIB78和CEB-FIB90模型、美國(guó)規(guī)范ACI209模型和日本規(guī)范推薦使用的計(jì)算模型。各個(gè)模型的計(jì)算公式見(jiàn)表1。

中國(guó)85橋規(guī)的計(jì)算公式與CEB-FIB78模型相同，只是在參數(shù)選擇上有所區(qū)別；中國(guó)現(xiàn)行04規(guī)范模型借鑒CEB-FIP 90模型；ACI209模型采用雙曲線函數(shù)，收縮應(yīng)變采用連乘的形式，表示為極限收縮值與對(duì)應(yīng)的隨時(shí)間發(fā)展的系數(shù)的乘積表達(dá)式；日本規(guī)范收縮模型采用基本收縮應(yīng)變乘以一個(gè)與時(shí)間相關(guān)的系數(shù)的形式。

本文的計(jì)算基于表1中的公式，各個(gè)參數(shù)的選擇依據(jù)各個(gè)規(guī)范所述，采用Midas Civil進(jìn)行建模分析。

2 工程概況

本文研究對(duì)象，主橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，跨徑布置為88+160+88米（見(jiàn)圖1）。箱梁頂寬為13米，底寬為7米，箱梁為單箱單室斷面（見(jiàn)圖2），箱梁采用C55混凝土。

本橋箱梁根部梁高為10米，跨中梁高為3.5米，腹板厚度分別為0.7米和0.5米，底板厚度由中部的0.32米按1.6次拋物線變化至根部的1.2米。箱梁采用縱向、豎向雙向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，縱向預(yù)應(yīng)力采用大噸位群錨體系，豎向預(yù)應(yīng)力采用精軋螺紋鋼筋錨固體系。

3 裂縫實(shí)測(cè)結(jié)果及分析

結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，對(duì)此特大橋的0#、1#塊進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)梁段腹板出現(xiàn)大部分裂縫，詳細(xì)對(duì)其長(zhǎng)度、寬度、深度進(jìn)行檢測(cè)，部分檢測(cè)結(jié)果描述如下：

①4個(gè)連續(xù)箱梁0#、1#梁段腹板內(nèi)側(cè)均發(fā)現(xiàn)多條豎直裂縫：裂縫長(zhǎng)度最大值6.80m，在2號(hào)墩右幅左側(cè)腹板上；裂縫最寬最大值0.40mm，在2號(hào)墩右幅右側(cè)腹板上；裂縫深度最大值246.0mm，在2號(hào)墩右幅左側(cè)腹板上。腹板外側(cè)及底板裂縫數(shù)量較少，位置分散，沒(méi)有特定規(guī)律性，且長(zhǎng)度、寬度、深度均較小，未做統(tǒng)計(jì)。

②從裂縫長(zhǎng)度來(lái)看，長(zhǎng)度在0～2.0m范圍的有15條；長(zhǎng)度在2.0m～4.0m范圍內(nèi)的有17條；長(zhǎng)度在4.0m～6.0m范圍內(nèi)有14條，長(zhǎng)度在6.0m以上的有1條。

③從裂縫寬度來(lái)看，最大寬度在0～0.1mm范圍內(nèi)有5條，最大寬度在0.1mm～0.2mm范圍內(nèi)有31條，最大寬度在0.2mm～0.3mm范圍內(nèi)有25條，最大寬度在0.3mm～0.4mm范圍內(nèi)有4條，最大寬度在0.4mm～0.5mm范圍內(nèi)有1條。

④從裂縫深度來(lái)看，最大深度在0～5.0cm范圍內(nèi)有6條，最大深度在5.0cm～10.0cm范圍內(nèi)有14條，最大深度在10.0cm～20.0cm范圍內(nèi)有10條，最大深度在20.0cm以上的有1條。

⑤裂縫總體上呈現(xiàn)出從底板與腹板的倒角頂開(kāi)始，在很短范圍內(nèi)（1.0m～2.0m）快速變寬變深至最大值，然后向上逐漸變窄變淺。

⑥通過(guò)鉆芯可以看出，裂縫完全斷開(kāi)的深度較?。ū疚乃o出的深度主要是指完全斷開(kāi)的裂縫深度），在較深處裂縫僅僅表現(xiàn)出一個(gè)薄弱帶，這個(gè)薄弱帶仍具有較好的粘連性和一定的強(qiáng)度。

由于篇幅限制的原因，本文從所有裂縫圖中給出1幅裂縫圖（如圖3所示）供參看，每幅裂縫的具體位置不同，但是整體表現(xiàn)出的規(guī)律類(lèi)似。

對(duì)裂縫檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果顯示裂縫是在非荷載作用下產(chǎn)生的裂縫，不是結(jié)構(gòu)受力裂縫。產(chǎn)生的原因主要是以下兩個(gè)方面：

①混凝土材料水化熱反應(yīng)引起較大的溫度變化致使溫度應(yīng)力裂縫的產(chǎn)生。連續(xù)箱梁0#梁段底板厚1.4m、腹板厚1.0m，均屬于大體積混凝土的范疇。澆筑時(shí)間為7月份，氣溫較高，因此混凝土水化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量容易聚集，導(dǎo)致溫度升高，特別是箱梁內(nèi)溫度較高，不易散熱。隨著高溫逐漸下降，混凝土強(qiáng)度逐漸形成，這個(gè)降溫過(guò)程會(huì)使腹板內(nèi)側(cè)產(chǎn)生拉應(yīng)力?；炷翉?qiáng)度形成過(guò)程中處于受拉狀態(tài)，因此其導(dǎo)致裂縫深處僅表現(xiàn)為一個(gè)薄弱帶。

②約束收縮。由于收縮主要發(fā)生在早期，而此時(shí)混凝土還沒(méi)有獲得足夠的強(qiáng)度，抵抗拉伸應(yīng)變能力低，有時(shí)極小的收縮應(yīng)變也能產(chǎn)生很大的應(yīng)力，從而引發(fā)了混凝土早期的開(kāi)裂現(xiàn)象。而由收縮引起的應(yīng)力，不僅可以使混凝結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形、裂縫，從而降低其強(qiáng)度和剛度，而且它還能使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫，破壞混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，降低混凝土的耐久性。

本文主要研究混凝土收縮效應(yīng)，只對(duì)非荷載作用下產(chǎn)生裂縫的兩個(gè)原因中的第二個(gè)原因（約束收縮）進(jìn)行研究。

4 收縮應(yīng)變差計(jì)算

本工程在施工過(guò)程中，連續(xù)箱梁0-1#梁段分兩次澆筑，先澆筑底板，再澆筑腹板及頂板。施工縫設(shè)在底板與腹板倒角處，由于澆筑存在齡期差，底板和腹板各自的收縮發(fā)展曲線存在時(shí)間差，在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，產(chǎn)生收縮應(yīng)變差。

根據(jù)各個(gè)計(jì)算模型的收縮應(yīng)變曲線和實(shí)際分兩次澆筑的時(shí)間差25天，計(jì)算出施工縫設(shè)置在中性軸處（如圖4）和施工縫設(shè)置在底板與腹板交界處（如圖5）兩種情況下，100天內(nèi)的收縮應(yīng)變曲線。

收縮曲線計(jì)算時(shí)的參數(shù)選取，依照橋梁施工的真實(shí)情況為：強(qiáng)度等級(jí)C55；環(huán)境濕度取74%（按設(shè)計(jì)說(shuō)明所述）；構(gòu)件理論厚度根據(jù)實(shí)際施工縫設(shè)置的不同，采各規(guī)范所述的公式，在MidasCivil中進(jìn)行計(jì)算，施工縫設(shè)置在中性軸處時(shí)，上下兩層的理論厚度都為670mm（中國(guó)規(guī)范、CEBFIP系列和ACI模型）、335mm（日本規(guī)范）；施工縫設(shè)置在底板與腹板交界處時(shí)，第一層理論厚度為966mm（中國(guó)規(guī)范、CEBFIP系列和ACI模型）、452mm（日本規(guī)范），第二層理論厚度為595mm（中國(guó)規(guī)范、CEBFIP系列和ACI模型）、315mm（日本規(guī)范）；按設(shè)計(jì)說(shuō)明使用的水泥為普通硅酸鹽水泥，水泥種類(lèi)系數(shù)為5。

當(dāng)施工縫設(shè)置在中性軸處時(shí)兩層收縮發(fā)展曲線相同，差值在時(shí)間上底層收縮發(fā)展了25天，第二次澆筑的混凝土剛開(kāi)始收縮，這是就產(chǎn)生了兩者之間的收縮差。當(dāng)施工縫設(shè)置在腹板與底板的交界處時(shí)，后澆筑的構(gòu)件理論厚度與前澆筑的不相同，兩者在開(kāi)始階段的收縮應(yīng)變差值更大，約束收縮更明顯。具體的應(yīng)變差值如表2所示。

5 六種規(guī)范模型拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)兩種不同施工縫設(shè)置，六種模型的收縮應(yīng)變差值，應(yīng)用溫度場(chǎng)對(duì)模型進(jìn)行分析。已知混凝土材料C55的線膨脹系數(shù)為1×10-5 1/℃，根據(jù)各個(gè)計(jì)算模型的最大收縮差，可以計(jì)算出相應(yīng)的溫度差。在ANSYS有限元軟件中，建立模型給予施工縫以上、下單元不同的溫度，計(jì)算各個(gè)模型收縮產(chǎn)生的主拉應(yīng)力結(jié)果。

施工縫設(shè)置在中性軸截面處和設(shè)在腹板與底板交界處，兩種情況下產(chǎn)生的主拉應(yīng)力的分析結(jié)果如表3所示。

從表3中可以看出，雖各個(gè)模型計(jì)算的實(shí)際應(yīng)力有差別，但是整體表現(xiàn)出的規(guī)律是：將施工縫設(shè)置在底板與頂板的交界處，約束收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力，遠(yuǎn)大于將施工縫設(shè)置在中性軸處產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

因此，施工過(guò)程中，盡量一次性澆筑；若條件不允許，可分兩次澆筑，但應(yīng)該事先進(jìn)行計(jì)算，約束收縮效應(yīng)最小的截面。

根據(jù)前期的研究結(jié)果，可知中國(guó)85規(guī)范模型計(jì)算的收縮應(yīng)變，在理論厚度大于600mm之后就不變化了，由于理論厚度的原因兩種情況計(jì)算的收縮差值一致，但是由于厚度的差別，溫度場(chǎng)不同，施工縫設(shè)在腹板與底板交界處的最大主拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果為1.44MPa。

美國(guó)ACI規(guī)范收縮應(yīng)變模型考慮的因素較多，與其他規(guī)范最不相同的是，該規(guī)范考慮了塌落度和水泥含量的影響。根據(jù)收縮的機(jī)理，水泥含量多，自發(fā)收縮會(huì)比較明顯；根據(jù)該地的實(shí)際情況，由于泵送混凝土的高度較大，混凝土塌落度較大，加劇了混凝土的前期收縮。

因此ACI規(guī)范計(jì)算的收縮差值較大，施工縫設(shè)在腹板與底板交界處是計(jì)算產(chǎn)生的拉應(yīng)力為1.83MPa，是所有規(guī)范計(jì)算值中的最大值。

日本規(guī)范模型較其他模型，可考慮水泥的種類(lèi)，模型可考慮早強(qiáng)水泥和普通水泥的區(qū)分，施工縫設(shè)在腹板與底板交界處是計(jì)算產(chǎn)生的最大主拉應(yīng)力為1.37MPa。

歐洲規(guī)范模型和中國(guó)04規(guī)范模型計(jì)算的主拉應(yīng)力值較為接近，都在1MPa以上，且小于以上所述的三種規(guī)范的計(jì)算結(jié)果。

6 結(jié)論及建議

本文對(duì)約束收縮進(jìn)行詳細(xì)分析，由于0號(hào)塊箱梁分兩次澆筑，施工縫設(shè)在底板和腹板的交界處，兩層澆筑時(shí)間差在25天左右，底板混凝土的收縮效應(yīng)曲線和腹板混凝土的收縮效應(yīng)曲線產(chǎn)生差值，底板對(duì)腹板的約束收縮造成了1MPa左右的拉應(yīng)力，加上水化熱產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，導(dǎo)致0號(hào)塊腹板裂縫的產(chǎn)生。

因此：①施工過(guò)程中因盡量減少澆筑時(shí)間差，盡量一次性澆筑（但要同時(shí)做好減少溫度應(yīng)力的措施），以減小收縮應(yīng)變差產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

②根據(jù)各個(gè)模型的收縮效應(yīng)分析，結(jié)果顯示，施工縫若設(shè)置于中性軸所在截面，約束收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力較小。若條件不允許一次性澆筑，則應(yīng)該將施工縫設(shè)置在截面中性軸位置處，并在澆筑前應(yīng)進(jìn)行建模計(jì)算，分析約束收縮效應(yīng)最小的截面，采取相應(yīng)的措施減少非結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生。

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