橋塔水化溫度效應(yīng)及開裂原因分析

黃維樹，宋軍

（1安徽省交通控股集團有限公司，安徽 合肥 230088；2上海同濟檢測技術(shù)有限公司，上海 200092）

1 引言

混凝土在內(nèi)部水化效應(yīng)以及外界散熱的影響下，產(chǎn)生復(fù)雜的溫度效應(yīng)，當(dāng)結(jié)構(gòu)受到約束時，產(chǎn)生應(yīng)力效應(yīng)，可能引發(fā)內(nèi)部與表面的開裂[1]。水化溫度問題在水工、橋梁承臺等大體積結(jié)構(gòu)中得到重視，有較多的控制方法[2、3]。橋梁塔柱具有壁厚較厚、標(biāo)號高水泥用量大等特點，在施工中也容易產(chǎn)生開裂的現(xiàn)象[4]。

本文以蕪湖長江公路二橋橋塔為例，開展無溫控措施下的溫度仿真以及熱力耦合分析，對開裂成因進行研究。蕪湖長江公路二橋橋塔設(shè)計為分肢柱式塔，設(shè)計為C50混凝土，總高259.48m。中下塔柱橫向分為2肢，為扁平截面，高151.48m；上塔柱為八邊形空腔截面，高108m。橋塔采用爬模法施工，分節(jié)高度為4～6m，見圖1所示。

2 分析方法

2.1 溫度計算

圖1 橋塔總體布置及典型斷面圖

溫度計算采用瞬態(tài)熱傳導(dǎo)基本方程[1]，描述如下：

式中：T為瞬時溫度；t為時間；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；ρ為密度；c為比熱容；Q為生熱函數(shù)。

生熱函數(shù)中，絕熱溫升由試驗測定為58.3℃。此外，計算中考慮外表面的對流效應(yīng)，由反推確定模板覆蓋情況下單位時間的對流系數(shù)為2W/m2，拆模后裸露表面單位時間的對流系數(shù)為15W/m2。

2.2 應(yīng)力計算

早齡期混凝土材料特性具有時變特征，表現(xiàn)為彈性模量、抗拉強度隨時間增長以及徐變效應(yīng)。彈性模量增長按照CEB-FIP提供的模型選用[5]。徐變效應(yīng)選用文獻[1]提供的計算公式進行計算：

式中：C(t,τ)為 τ時刻加載至 t時刻的徐變度，其中 C1=0.23/Ec，C1=0.52/Ec；Ec為彈性模量。

分別建立中下塔柱以及上塔柱的實體有限元模型，開展溫度以及應(yīng)力仿真分析計算。

3 中下塔柱分析

3.1 溫度分析

分肢段塔柱仍然具有超過1m的厚度，水化熱產(chǎn)生的溫升效應(yīng)仍然較為顯著，內(nèi)部最高溫達到80℃（入模溫度28℃），且占據(jù)較大的范圍，內(nèi)側(cè)散熱慢，其溫度也高于外側(cè)溫度，見圖2所示。

3.2 應(yīng)力分析

圖2 中下塔柱溫度場（單位：℃）

由于前后節(jié)段齡期差相差較小，兩層之間的彈性模量相差并不懸殊，且截面尺寸相差較小，因此上層與下層混凝土剛度差也較小，當(dāng)上層產(chǎn)生降溫收縮位移時，下層也會產(chǎn)生相應(yīng)的位移。從溫度應(yīng)力計算可以看出，下部最高應(yīng)力達到4～5MPa，分肢斷面大部分區(qū)域的應(yīng)力位于2～4MPa之間，該應(yīng)力水平也超出了混凝土自身的抗拉強度。

4 上塔柱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)分析

4.1 溫度分析

上塔柱標(biāo)準(zhǔn)段溫度計算結(jié)果見圖4所示，可以看出標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段為傳統(tǒng)大體積混凝土構(gòu)件，積聚熱量較多，內(nèi)部較大范圍區(qū)域內(nèi)溫升均較高，達到82℃；表面也維持較高溫度狀態(tài)，最高溫約為62℃；從最高溫變化曲線可以看出，實體到達最高溫歷時約3～4d，且溫峰持續(xù)時間較長，約 2～3d。

圖3 中下塔柱應(yīng)力場（單位：Pa）

圖4 上塔柱溫度場（單位：℃）

4.2 應(yīng)力分析

針對水化降溫作用下的體系應(yīng)力進行分析，將橫橋向及縱橋向的最終應(yīng)力場匯總于圖5所示。

縱橋向應(yīng)力及橫橋向應(yīng)力較大區(qū)域位于大實體區(qū)域與下方節(jié)段的結(jié)合面上方，較大范圍應(yīng)力位于3.5～4.0MPa。由于上塔柱橫縱尺寸較為接近，兩個方向的應(yīng)力水平相當(dāng)。

5 開裂機理分析

圖5 上塔柱應(yīng)力場（單位：Pa）

結(jié)構(gòu)的全部或者部分邊界收到外界約束，溫度變化時不能自由變形而引起的應(yīng)力。例如混凝土澆筑冷卻時受到基礎(chǔ)的約束而產(chǎn)生的應(yīng)力。塔柱上下層由于溫度不同，也會產(chǎn)生這種約束的應(yīng)力。

根據(jù)前述計算分析可知，對于下塔柱，兩側(cè)薄壁下方存在高應(yīng)力區(qū)域，對于上塔柱，在下方內(nèi)部存在高應(yīng)力區(qū)域，可能產(chǎn)生貫穿開裂，見圖6所示。

圖6 內(nèi)部開裂示意圖

外約束產(chǎn)生的裂縫由于破壞了結(jié)構(gòu)完整性，削弱結(jié)構(gòu)力學(xué)性能；并且會導(dǎo)致水分或空氣的進入，加速混凝土碳化以及鋼筋、勁性骨架的腐蝕，影響結(jié)構(gòu)的耐久性能。因此開展溫度控制對于橋塔十分重要。

6 結(jié)論

以蕪湖長江公路二橋為例，開展了橋塔溫度響應(yīng)研究以及裂縫成因的研究，主要結(jié)論有：

①中下塔柱薄壁內(nèi)容易積蓄較高的溫升效應(yīng)，且由于薄壁剛度較低，在降溫期間，受結(jié)合面約束可能產(chǎn)生貫穿的開裂現(xiàn)象；

②上塔柱澆筑方量大，內(nèi)部溫度不容易擴散，在降溫期間受下方混凝土的約束，結(jié)合面也可能產(chǎn)生深層的開裂現(xiàn)象；

③橋塔塔節(jié)之間的約束為普遍現(xiàn)象，在溫度較高的情況下，容易引發(fā)不同程度的開裂，應(yīng)采取有效的措施對溫度應(yīng)力進行控制。