大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋0號塊開裂計算分析及預(yù)防措施

■陳 峻

（江蘇中設(shè)集團股份有限公司，無錫 214072）

大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋0號塊開裂計算分析及預(yù)防措施

■陳 峻

（江蘇中設(shè)集團股份有限公司，無錫 214072）

本文以湖南湘西州龍永高速第十一標(biāo)段紅巖溪特大橋為依托工程，參考之前同類橋梁的施工與設(shè)計分析，針對剛構(gòu)橋0號塊施工過程，通過對結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力和裂縫可能產(chǎn)生位置的分析，并根據(jù)主要影響因素提出相應(yīng)的預(yù)防措施，減少或預(yù)防0號塊在澆筑過程中可能產(chǎn)生的溫度裂縫。

連續(xù)剛構(gòu)橋 0號塊 溫度裂縫 設(shè)防錯誤

1 工程概況

龍永高速公路紅巖溪特大橋位于湖南省湘西自治州，上部結(jié)構(gòu)跨徑布置為116m+220m+116m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，橫斷面為單箱單室箱形截面。箱梁梁高、底板厚度均按1.8次拋物線變化。箱梁根部梁高（箱梁中心線）1340cm，跨中梁高（箱梁中心線）400cm。箱梁頂板全寬為1200cm，厚度為30cm，剛構(gòu)根部頂板加厚至60cm，設(shè)有2%的單向橫坡。箱梁底板寬度為650cm，厚度為 120cm～32cm。腹板厚度分別為 105cm、95cm、80cm、65cm及50cm。箱梁在墩頂處設(shè)2個100cm厚的橫隔板，在邊墩墩頂梁端處設(shè)200cm厚的橫隔板，在四分點位置和主跨跨中位置設(shè)置40cm厚的橫隔板。梁體混凝土設(shè)計強度為C55。本文采用ANSYS有限元分析軟件，以紅巖溪特大橋6號墩墩頂0號塊為工程依托，模擬施工過程分析計算在外界條件作用下結(jié)構(gòu)受力性能。大橋立面圖和6號墩墩頂0號塊縱向和橫向斷面圖分別見圖1和圖2。

2 0號塊結(jié)構(gòu)有限元模型分析

0號塊分析采用ANSYS有限元模型，結(jié)構(gòu)縱向長12.0m，橫向橋?qū)?2.0m，全高13.4m，底板位置厚度為1.2m。由于0號塊主要受水化熱及收縮徐變的影響，因此以SOLID65單元模擬實體結(jié)構(gòu)。為模擬實際情況，建模時在結(jié)構(gòu)底面添加了0.5m高墩身結(jié)構(gòu)，并在墩底固結(jié)，以避免在0號塊底面產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。0號塊單元劃分尺寸為0.15m，附加墩身劃分尺寸為0.30mm。由于結(jié)構(gòu)對稱，建模時可先由1/4鏡像生成。

分析中模擬了大體積混凝土分層澆筑的施工過程，共分三次澆筑，每次時間間隔為3d。采用瞬態(tài)熱分析計算0號塊結(jié)構(gòu)在水化熱作用下的溫度場，然后將求得的溫度場效應(yīng)施加至結(jié)構(gòu)中，計算0號塊在水化熱作用下的溫度應(yīng)力。

圖1 紅巖溪特大橋連續(xù)剛構(gòu)立面圖（單位：cm）

圖2 6號墩墩頂0號塊縱向和橫向斷面圖（單位：cm）

3 0號塊結(jié)構(gòu)施工過程受力分析及主要控制措施

由結(jié)構(gòu)有限元熱分析可知，0號塊結(jié)構(gòu)澆筑完成后因水化熱等作用，容易產(chǎn)生溫度裂縫，針對計算結(jié)果以及建成的各類型剛構(gòu)橋的裂縫病害，提出能在一定程度上改善0號塊前期裂縫的不利影響。大體積混凝土澆筑通常會采用分層澆筑的方式，以降低結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差，故可通過探討分層澆筑時的各層澆筑量（或者是澆筑層高）、澆筑前后兩層間隔的齡期長短等對于減小水化熱影響的作用。

3.1 分層澆筑的層高選取

在常規(guī)施工過程中，0號塊分三層澆筑，第一層由墩頂位置到底板與腹板交接處，混凝土澆筑量為188.6m3，第二層往上至距離頂面3.7m位置，混凝土澆筑量為301.3m3，第三層一直到頂面，混凝土澆筑量為211.2m3。由此可見，第一層與第二層澆筑的混凝土量相差較大，為減小兩者的差異，可以考慮適當(dāng)上調(diào)第一層與第二層之間的施工縫位置，在建議中將其設(shè)置在橫隔板過人洞上端。圖3為施工縫留在橫隔板過人洞頂端位置是的水化熱產(chǎn)生的主拉應(yīng)力云圖。圖中橫向的兩條細(xì)線即為建議上調(diào)第一、二層之間的施工縫位置后的三層之間的分隔位置。

圖3 水化熱產(chǎn)生的主拉應(yīng)力云圖

通過平衡第一層與第二層的混凝土澆筑量，減小第二次澆筑量來降低混凝土水化熱產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差，以達(dá)到減小混凝土受到的主拉應(yīng)力。上調(diào)第一、二層之間的施工縫后，第一層的混凝土澆筑量調(diào)整為239.4m3，第二層的混凝土澆筑量調(diào)整為250.5m3。前述已經(jīng)分析了1/4結(jié)構(gòu)在原方案中的水化熱產(chǎn)生的主拉應(yīng)力云圖，現(xiàn)采用同樣的ANSYS分析方法，計算結(jié)構(gòu)在建議方案中的水化熱。為直觀清晰的體現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)部整體主拉應(yīng)力分布，此次取1/2結(jié)構(gòu)計算。圖4為施工縫留在底板與腹板交接位置時的水化熱產(chǎn)生的主拉應(yīng)力云圖。圖中橫向的兩條細(xì)線即為分層澆筑時三層之間的分隔位置。

圖4 原方案水化熱產(chǎn)生的主拉應(yīng)力云圖

由圖4可知，原方案中的腹板外側(cè)的主拉應(yīng)力主要分布在2.48～4.52MPa之間，而當(dāng)?shù)谝粚优c第二層之間的施工縫設(shè)置在過人洞頂端時，腹板外側(cè)的主拉應(yīng)力主要分布在1.00～3.30MPa之間?，F(xiàn)在腹板高度中間位置，沿橋縱向內(nèi)側(cè)取4個應(yīng)力參考點，分別提取在兩種澆筑方案情況下，各點的主拉應(yīng)力值。

圖5為兩種澆筑方案水化熱效應(yīng)的腹板應(yīng)力圖示。

圖5 兩種澆筑方案水化熱效應(yīng)的腹板應(yīng)力

建議方案是在原方案的基礎(chǔ)上，上調(diào)了第一層與第二層之間的施工縫，從底板與腹板交接處改為橫隔板過人洞頂端，適當(dāng)平衡了前兩次的混凝土澆筑量。由圖5改進(jìn)之后水化熱對腹板主拉應(yīng)力的影響可知，在腹板中部選取的四個應(yīng)力點的主拉應(yīng)力產(chǎn)生了不同程度的下降，幅度在7.3%～18.2%之間，這對于大體積混凝土來說，在預(yù)防澆筑過程中水化熱對結(jié)構(gòu)開裂的影響有一定的作用。

3.2 線膨脹系數(shù)的影響

混凝土因自身材料特性或者外界溫度影響時，會產(chǎn)生膨脹或收縮。線膨脹系數(shù)（lt）也稱為線彈性系數(shù)，是指單位長度材料每升高1℃時的伸長量。實際工程施工過程中，不可避免會摻加一定的外加劑，比如早強劑等，當(dāng)外加劑摻入量增大時，混凝土的線膨脹系數(shù)也會隨之增大。為探究線膨脹系數(shù)大小對混凝土的主拉應(yīng)力的影響，現(xiàn)取三種線膨脹系數(shù)值0.9×10-5，1.1×10-5，1.3×10-5，分別計算結(jié)構(gòu)水化熱效應(yīng)，取腹板高度中間位置，沿橋縱向外側(cè)六等分點作為應(yīng)力參考點來比較。

圖6為線膨脹系數(shù)取1.1×10-5時的主拉應(yīng)力云圖。對比前述線膨脹系數(shù)為0.9×10-5時的主拉應(yīng)力云圖 （圖3），0號塊的主要的主拉應(yīng)力分布情況基本一致，最大主拉應(yīng)力值有一定的增大。

圖7為線膨脹系數(shù)取1.3×10-5時的主拉應(yīng)力云圖。對比線膨脹系數(shù)為1.1×10-5時的主拉應(yīng)力云圖，0號塊的主要的主拉應(yīng)力分布情況也基本一致，最大主拉應(yīng)力值也有一定的增大。

圖8為不同線膨脹系數(shù)下0號塊主拉應(yīng)力對比圖。

由圖8可知，當(dāng)線膨脹系數(shù)從0.9×10-5增大到1.1× 10-5時，腹板應(yīng)力點的主拉應(yīng)力值增幅在20.1%～21.5%之間，當(dāng)線膨脹系數(shù)從1.1×10-5增大到1.3×10-5時，腹板應(yīng)力點的主拉應(yīng)力值增幅在17.9%～18.1%之間。由此可知，當(dāng)混凝土材料內(nèi)的外加劑會影響結(jié)構(gòu)澆筑完成后主拉應(yīng)力值。因此，在實際施工過程中應(yīng)根據(jù)需要嚴(yán)格控制外加劑的摻入量，防止含量過多對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

圖6 水化熱產(chǎn)生的主拉應(yīng)力云圖（lt=1.1×10-5）

圖7 水化熱產(chǎn)生的主拉應(yīng)力云圖（lt=1.3×10-5）

圖8 不同線膨脹系數(shù)（lt）下主拉應(yīng)力對比圖

3.3 澆筑溫度的影響

根據(jù) 《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》（GB50666-2011）規(guī)定，混凝土拌合物的入模溫度不應(yīng)低于5℃，且不應(yīng)高于35℃。當(dāng)日平均氣溫高于35℃時，需采取降溫措施，使混凝土入模溫度不能高于35℃；當(dāng)日平均氣溫低于5℃時，需采取保溫措施，使混凝土入模溫度不能低于5℃。為探討混凝土澆筑溫度對于結(jié)構(gòu)主拉應(yīng)力的影響，現(xiàn)分別在澆筑溫度為30℃、20℃、10℃時0號塊的主拉應(yīng)力云圖，此時三種情況下的每層澆筑層高、材料線膨脹系數(shù)均為同等條件。圖9和圖10為澆筑溫度為20℃和10℃時的主拉應(yīng)力云圖。

鑒于前述應(yīng)力分析均在澆筑溫度為30℃時進(jìn)行 （圖3），腹板外側(cè)的主拉應(yīng)力主要分布在1.00～3.30MPa之間，因此只需計算余下兩種情況。

圖9為澆筑溫度為20℃時的0號塊主拉應(yīng)力云圖，腹板外側(cè)的主拉應(yīng)力主要分布在0.91～2.82MPa之間。與圖3相比可知，主拉應(yīng)力分布趨勢基本相似，應(yīng)力值略有不同。

圖10為澆筑溫度為10℃時的0號塊主拉應(yīng)力云圖，腹板外側(cè)的主拉應(yīng)力主要分布在1.33～3.13MPa之間。與前兩種情況相比可知，主拉應(yīng)力分布趨勢也基本相似，應(yīng)力值也略有不同。

圖9 澆筑溫度為20℃時的主拉應(yīng)力云圖

圖10 澆筑溫度為10℃時的主拉應(yīng)力云圖

現(xiàn)在0號塊中心高度位置腹板外側(cè)，沿z軸方向取五等分點作為應(yīng)力點，在三種澆筑溫度下的主拉應(yīng)力值，如圖11所示。

圖11 不同澆筑溫度（t0）時腹板應(yīng)力點主拉應(yīng)力

由圖11可知，隨著混凝土澆筑溫度的降低，0號塊腹板應(yīng)力也隨之減小。當(dāng)澆筑溫度由30℃降為20℃時，主拉應(yīng)力值下降幅度在1.7%～2.5%之間，當(dāng)澆筑溫度由30℃降為10℃時，主拉應(yīng)力值下降幅度在4.7%～16.7%之間。由此可見，在規(guī)范規(guī)定的澆筑溫度范圍內(nèi)，降低混凝土澆筑溫度，對減小結(jié)構(gòu)受到的主拉應(yīng)力起到一定的作用。

4 預(yù)防溫度裂縫的其他措施

除上述適當(dāng)調(diào)整分層澆筑的混凝土用量，控制混凝土外加劑的摻量以及降低混凝土的入模溫度等措施，在施工過程中也可采用其他的方法來預(yù)防0號塊開裂。

（1）結(jié)構(gòu)在腹板、頂板、底板以及橫隔板交接位置的各倒角處承受主拉應(yīng)力較大，是容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的地方，在這些位置可設(shè)置構(gòu)造鋼筋以加強抗裂強度。

（2）本次澆筑的混凝土采用C55高標(biāo)號水泥，較普通C30、C40等水泥水化熱釋放的熱量會高出很多。因此，在澆筑大體積混凝土結(jié)構(gòu)時，建議采用低水化熱、收縮量小的水泥材料。

（3）由于0號塊體積較大，在施工過程中分層澆筑，為了保證兩層之間的施工縫的質(zhì)量，應(yīng)保證澆筑面的鑿毛達(dá)到要求，并清理整修完好。澆筑下一層混凝土?xí)r需振搗充實。

（4）每層混凝土澆筑完成后，需覆膜保養(yǎng)，保持混凝土表面濕度，注意0號塊內(nèi)部的散熱。按時觀測，及時發(fā)現(xiàn)是否產(chǎn)生新生裂縫。

5 小結(jié)

對于0號塊在澆筑前期易受水化熱、收縮等因素產(chǎn)生裂縫，提出在三個方面作改進(jìn)措施。首先，適當(dāng)提高了分層澆筑的層高設(shè)置，由腹板應(yīng)力測試點結(jié)果可知，主拉應(yīng)力減小的效果良好，減小幅度在7.3%～18.2%之間；然后，控制外加劑的摻量以保證混凝土線膨脹系數(shù)值較小，結(jié)果表明，當(dāng)線膨脹系數(shù)從0.9×10-5增大到1.1×10-5時，腹板應(yīng)力點的主拉應(yīng)力值增幅在20.1%～21.5%之間，從1.1×10-5增大到1.3×10-5時，增幅在17.9%～18.1%之間；最后，當(dāng)在規(guī)定范圍內(nèi)將混凝土澆筑溫度由30℃降為20℃時，主拉應(yīng)力值下降幅度在1.7%～2.5%之間，當(dāng)由30℃降為10℃時，下降幅度在4.7%～16.7%之間。

在大體積混凝土施工中，為防止產(chǎn)生溫度、收縮裂縫，應(yīng)在分層澆筑時適當(dāng)均衡每次的混凝土澆筑量，嚴(yán)格控制外加劑的摻量以減小混凝土線膨脹系數(shù)的影響，在條件允許的情況下控制混凝土的入模溫度，降低水化熱的生熱量。

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