某梁拱組合橋施工中拱腳裂縫成因分析及處理措施*

杜國(guó)鵬 李 杰 賀 錚

(鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院 鄭州 450001)

梁拱組合體系橋梁由于其主梁剛度大、整體性好，滿足高速列車(chē)的行車(chē)舒適性與安全性要求，故大跨度高鐵橋梁多有采用。但是由于此類(lèi)橋梁對(duì)施工要求高，施工中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)拱腳部位混凝土開(kāi)裂等現(xiàn)象，造成較大的質(zhì)量事故。程澤兵等[1]分析計(jì)算得出鋼管混凝土拱橋拱腳低溫季節(jié)施工出現(xiàn)裂縫的主要原因是日照溫差和配筋率不足。姜自奇等[2]以蒲山特大橋?yàn)槔捎胢idas Civil有限元分析拱腳應(yīng)力分布， 為施工提出優(yōu)化。鄧風(fēng)亭[3]通過(guò)midas Civil和FEA，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致拱腳裂縫產(chǎn)生的原因是施工造成拱腳局部拉應(yīng)力超過(guò)了拱腳混凝土的抗拉強(qiáng)度。要找出鋼管拱拱腳易產(chǎn)生常見(jiàn)裂縫的原因，必須對(duì)拱腳局部進(jìn)行詳細(xì)研究分析。但是由于其幾何形狀復(fù)雜，無(wú)法從理論的角度進(jìn)行局部應(yīng)力分析。因此本文從有限元的角度對(duì)某橋梁施工過(guò)程中拱腳開(kāi)裂的原因進(jìn)行分析探討，供同類(lèi)鋼管混凝土拱橋建設(shè)參考。

1 工程概況

某高速鐵路橋全長(zhǎng)309.6 m，主橋采用74 m+160 m+74 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁-鋼管混凝土拱組合結(jié)構(gòu)，橋跨結(jié)構(gòu)為剛性梁-柔性拱。本橋采用“先梁后拱”施工方法，主梁?jiǎn)蜗潆p室變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁采用掛籃懸臂澆筑施工，上部鋼管混凝土拱肋由預(yù)制鋼構(gòu)件拼裝成拱后泵送混凝土。該橋立面圖見(jiàn)圖1。

圖1 主橋立面圖(單位：mm)

梁拱組合體系橋的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工難度大，建設(shè)周期長(zhǎng)。在前期施工過(guò)程中，拱腳作為大跨度連續(xù)梁拱組合橋的關(guān)鍵部位，對(duì)全橋承載和跨越能力至關(guān)重要，而且其受力情況受施工順序、溫度及材料收縮徐變等因素影響很大。

此橋施工過(guò)程中，連續(xù)梁在施工至二號(hào)段張拉壓漿結(jié)束時(shí)，梁拱結(jié)合部多處出現(xiàn)了裂紋。裂紋的存在一方面影響了結(jié)構(gòu)的美觀和正常使用，另一方面削弱了結(jié)構(gòu)的剛度和整體性，可能會(huì)對(duì)高鐵橋梁運(yùn)營(yíng)的耐久性產(chǎn)生不利影響。因此，有必要對(duì)拱腳裂縫成因進(jìn)行分析，然后根據(jù)分析結(jié)果選擇合適的處治方法。

2 裂縫情況

按照設(shè)計(jì)，0號(hào)段應(yīng)使用C55混凝土采用泵送一次性澆筑成型。在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，由于現(xiàn)場(chǎng)施工條件的限制，拱腳混凝土與0號(hào)段混凝土的澆筑有較大的時(shí)間間隔，并且當(dāng)時(shí)正值春末夏初，晝夜溫差較大。施工過(guò)程見(jiàn)表1。

表1 拱腳施工過(guò)程 d

主橋在懸臂施工過(guò)程中為兩側(cè)有臨時(shí)支墩的靜定T構(gòu)。梁所用C55混凝土的設(shè)計(jì)抗拉及設(shè)計(jì)抗壓應(yīng)力分別滿足 1.98 MPa及-25.3 MPa。開(kāi)裂時(shí)作用在結(jié)構(gòu)上的靜力荷載主要是掛籃重和2號(hào)段混凝土濕重。

在施工至2號(hào)段張拉壓漿結(jié)束時(shí)，拱腳混凝土與0號(hào)段混凝土出現(xiàn)裂縫。其中405號(hào)墩梁體出現(xiàn)10條裂縫，裂紋呈放射狀分布，裂縫長(zhǎng)100～170 cm，裂縫寬度0.08～0.17 mm，其中L1和L6裂縫寬度大于0.15 mm；405號(hào)墩拱座出現(xiàn)26條裂縫，裂縫長(zhǎng)60～320 cm，裂縫寬度0.05～0.26 mm，其中有8條裂縫寬度大于0.15 mm，拱座內(nèi)側(cè)裂縫比外側(cè)多。裂紋示意見(jiàn)圖 2。

圖2 405號(hào)墩裂紋位置示意圖

檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，連續(xù)梁405號(hào)墩的0號(hào)段及拱座內(nèi)外側(cè)均出現(xiàn)較多豎向裂紋，裂紋寬度在0.05～0.26 mm范圍。經(jīng)過(guò)觀測(cè)，裂紋已經(jīng)穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)有增大、縮小或者延伸趨勢(shì)，但是為了杜絕裂紋發(fā)展以致影響到混凝土的整體性，也為了選擇合適的裂縫處治方法，必須分析裂縫產(chǎn)生的原因。

3 拱腳裂縫成因分析

近年來(lái)隨著泵送施工技術(shù)發(fā)展，高強(qiáng)、超高強(qiáng)大體積混凝土的一次性澆筑中的混凝土裂紋控制變得更為困難。從裂紋起因來(lái)看，裂紋主要分為因外荷載作用引起的裂紋和變形變化引起的裂紋兩大類(lèi)[4-5]。近幾年研究和調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大量的橋梁裂紋不完全是由外荷載作用而產(chǎn)生，而是由于結(jié)構(gòu)自身變形而造成，據(jù)統(tǒng)計(jì)，前者約占20%，后者約占80%。導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形的因素有很多[6]，例如：水泥的水化熱作用、日照輻射引起的氣溫變化等原因造成的溫度變形；混凝土的塑形收縮、干縮、碳化收縮造成的收縮變形；地基土膨脹造成的地基不均勻沉降等；由于外部約束的存在，結(jié)構(gòu)的變形會(huì)使混凝土內(nèi)部出現(xiàn)附加內(nèi)力。當(dāng)附加內(nèi)力產(chǎn)生的應(yīng)力大于混凝土材料本身的抗拉強(qiáng)度時(shí)，結(jié)構(gòu)便會(huì)產(chǎn)生裂紋。

3.1 分析思路

通過(guò)上述的兩大類(lèi)裂縫成因的初步分析，該梁拱組合橋在實(shí)際施工中裂縫的影響因素可能有外荷載作用、溫度作用、混凝土的收縮徐變等。2號(hào)段澆筑時(shí)，靜力荷載作用只有預(yù)應(yīng)力、自重和掛籃重。根據(jù)當(dāng)前施工狀態(tài)建立0號(hào)段和拱腳模型進(jìn)行分析，拱腳采用實(shí)體單元模擬，掛籃自重模擬為均布荷載，墩底及鋼管支撐底部固結(jié)[7-9]。

3.2 僅考慮施工過(guò)程靜力荷載

3.2.1拱腳處結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

當(dāng)不考慮混凝土材料的收縮徐變及溫度荷載的效應(yīng)時(shí)，梁-拱結(jié)合拱腳部位僅受施工過(guò)程的影響。此時(shí)拱腳處混凝土及0號(hào)段、1號(hào)段、2號(hào)段、橋梁主墩、臨時(shí)支墩等所受作用有自重和預(yù)應(yīng)力荷載。不考慮非線性、收縮徐變情況下，當(dāng)2號(hào)段張拉壓漿結(jié)束時(shí)，結(jié)構(gòu)主應(yīng)力分布見(jiàn)圖3。

圖3 僅考慮施工過(guò)程靜力荷載的拱腳及0號(hào)段混凝土應(yīng)力(單位：MPa)

由圖3可知，除預(yù)應(yīng)力筋張拉與錨固區(qū)域由于應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)部分拉應(yīng)力外，拱腳及0號(hào)段混凝土其余位置應(yīng)力分布較為均勻，絕大部分混凝土均處于受壓狀態(tài)，拉應(yīng)力大部分在-0.15～0.64 MPa范圍內(nèi)，裂縫出現(xiàn)的位置未發(fā)現(xiàn)應(yīng)力超限，因此，從結(jié)構(gòu)受力分析可知該裂紋后續(xù)進(jìn)一步發(fā)展的可能性很小。

3.2.2拱腳處結(jié)構(gòu)變形分析

在不考慮非線性、收縮徐變情況下，當(dāng)2號(hào)段張拉壓漿結(jié)束時(shí)，結(jié)構(gòu)豎向及橫向變形情況見(jiàn)圖4。

圖4 僅考慮溫度作用的拱腳及0號(hào)段變形(單位：mm)

由圖4可知，拱腳及0號(hào)段混凝土均處于下?lián)蠣顟B(tài)，最大下?lián)现禐?.27 mm，位于順橋向0號(hào)段中間位置，最小下?lián)现禐?.13 mm，位于拱腳位置。由橫向變形結(jié)果可知，拱腳及0號(hào)段混凝土橫向變形較小，0號(hào)段混凝土存在較小的橫向收縮現(xiàn)象，最大變形量為0.15 mm，位于0號(hào)段翼緣板位置。

由圖4還可知，在不考慮混凝土材料收縮徐變效應(yīng)和溫度荷載時(shí)，拱腳及0號(hào)段混凝土應(yīng)力和變形均較小，強(qiáng)度和變形均滿足要求，可知靜力荷載不是形成裂縫的主要因素。

3.3 僅考慮溫度作用

考慮到該橋位于山區(qū)，拱腳及0號(hào)段澆筑施工及養(yǎng)護(hù)是在春末夏初的四五月份完成，該季節(jié)晝夜溫差大，再考慮到陽(yáng)光輻射等作用，橋梁結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力和變形?？紤]到混凝土水化熱及當(dāng)時(shí)實(shí)際溫度變化，材料非線性和溫度影響可能會(huì)是裂縫形成的主要影響因素。對(duì)拱腳和0號(hào)段考慮溫度荷載效應(yīng)時(shí)，取施工時(shí)平均溫度為20 ℃，結(jié)構(gòu)整體升、降溫20 ℃。溫度作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形見(jiàn)表2。

表2 溫度作用時(shí)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形

由表2可知，整體升溫、整體降溫作用下，拱腳及0號(hào)段混凝土拉應(yīng)力和壓應(yīng)力變化不大，變化值均小于3% 。在考慮設(shè)計(jì)規(guī)范取值的情況下，結(jié)構(gòu)應(yīng)力較小(不考慮錨固區(qū)的應(yīng)力集中現(xiàn)象)，不會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。但溫度荷載對(duì)結(jié)構(gòu)受力和變形影響較大，現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)開(kāi)裂可能是由于施工中環(huán)境溫度驟變、水化熱等因素共同作用產(chǎn)生的，而這些因素是設(shè)計(jì)無(wú)法詳細(xì)考慮的。因此，分析溫度和收縮徐變效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響很有必要。

3.4 溫度效應(yīng)和收縮徐變共同作用

3.4.1有限元的模擬

根據(jù)midas Civil 梁?jiǎn)卧治龅慕Y(jié)果對(duì)拱腳局部實(shí)體模型加載，當(dāng)前受力工況下的內(nèi)力只有恒載和已張拉鋼束的預(yù)應(yīng)力荷載，主梁內(nèi)力情況將其通過(guò)靜力荷載的形式施加在midas FEA 拱腳實(shí)體模型截面。同時(shí)考慮了材料的非線性、溫度效應(yīng)及收縮徐變效應(yīng)，其中溫度依據(jù)梁體溫度傳感器及環(huán)境實(shí)測(cè)溫度。當(dāng)結(jié)構(gòu)處于最不利工況時(shí)，拱腳拱座內(nèi)部節(jié)點(diǎn)和0號(hào)段腹板內(nèi)部由于水化熱反應(yīng)設(shè)置節(jié)點(diǎn)溫度為60 ℃，拱腳、拱座表面、0號(hào)段主梁梁面、腹板外側(cè)主墩和臨時(shí)支墩由于太陽(yáng)光的直射，設(shè)置節(jié)點(diǎn)溫度為40 ℃，0號(hào)段底板和箱梁內(nèi)部由于不能受到太陽(yáng)光的直射，故設(shè)置節(jié)點(diǎn)溫度為20 ℃。

3.4.2拱腳處結(jié)構(gòu)受力分析

根據(jù)有限元分析結(jié)果可得，拱腳處混凝土主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力云圖見(jiàn)圖5。

圖5 考慮溫度效應(yīng)和收縮徐變共同作用的拱腳及0號(hào)段應(yīng)力(單位：MPa)

由圖5可知，拱腳處混凝土多處位置應(yīng)力值超出混凝土的材料極限拉應(yīng)力限值，且應(yīng)力較大位置位于拱腳拱座和0號(hào)段腹板位置，與實(shí)際裂縫出現(xiàn)的位置相近。

3.4.3拱腳處結(jié)構(gòu)裂紋分析

根據(jù)有限元分析結(jié)果可得，拱腳處混凝土裂紋狀態(tài)見(jiàn)圖6。

圖6 拱腳處混凝土裂紋狀態(tài)結(jié)果

由圖6可知，拱腳及0號(hào)段混凝土多處位置出現(xiàn)裂縫，且裂紋位置與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)裂縫的位置大致相同。結(jié)果表明：①有限元軟件模擬結(jié)果與實(shí)際裂縫較吻合；②拱腳處多處出現(xiàn)的裂縫是由于混凝土水化反應(yīng)內(nèi)外溫差和混凝土硬化過(guò)程中的收縮徐變共同作用造成的。

4 裂縫的預(yù)防和處理

經(jīng)過(guò)觀測(cè)和仿真分析，裂縫主要是由水化熱及日照導(dǎo)致過(guò)大的溫度應(yīng)力和收縮徐變效應(yīng)共同作用引起的?，F(xiàn)在裂縫已經(jīng)穩(wěn)定，從結(jié)構(gòu)受力分析可知，該處裂縫后續(xù)進(jìn)一步發(fā)展的可能性很小，但是為了杜絕裂縫后續(xù)進(jìn)一步發(fā)展，影響混凝土的外觀質(zhì)量、耐久性及安全性，需要嚴(yán)格按有關(guān)要求進(jìn)行處治?；炷亮芽p處治主要應(yīng)達(dá)到限制裂縫擴(kuò)展，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、防滲、耐久性等各項(xiàng)驗(yàn)收質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和建筑物安全運(yùn)行的要求[10]。

4.1 裂縫的預(yù)防措施

結(jié)合本文仿真分析結(jié)果，提出預(yù)防拱腳和0號(hào)段裂縫的措施。

1) 優(yōu)化混凝土的配合比，通過(guò)減少水泥用量、摻加添加劑等措施降低水化熱。

2) 針對(duì)高溫季節(jié)施工情況，可以采用搭設(shè)遮陽(yáng)板、增加箱室內(nèi)通風(fēng)降溫等措施減小混凝土的溫差。

3) 優(yōu)化鋼筋配置或者在混凝土中摻入纖維材料，將混凝土裂縫寬度控制在合理范圍。

4.2 裂縫的處治措施

常見(jiàn)裂縫處理方法包括表面處理法、填充處理法、灌漿處理法、結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)法，以及混凝土置換法等。其中灌漿處理法應(yīng)用范圍廣，從細(xì)微裂縫到大裂縫均可適用，處理效果好。經(jīng)檢測(cè)，出現(xiàn)的裂紋狀態(tài)為靜止不發(fā)育狀態(tài)，不影響構(gòu)件力學(xué)性能和整體性。為保障梁體質(zhì)量與結(jié)構(gòu)安全，根據(jù)裂縫實(shí)際情況選擇合適的處治方法進(jìn)行處治，常見(jiàn)處治工藝見(jiàn)表3。根據(jù)開(kāi)裂情況和現(xiàn)場(chǎng)條件，本項(xiàng)目選擇對(duì)寬度小于0.15 mm的裂縫進(jìn)行封閉處理，對(duì)寬度大于0.15 mm的裂縫進(jìn)行化學(xué)灌漿處理，處治完成后對(duì)裂縫進(jìn)行抽樣檢測(cè)，裂縫全部封閉，后續(xù)施工中未發(fā)現(xiàn)新的開(kāi)裂。

表3 裂縫處治工藝

5 結(jié)語(yǔ)

本文運(yùn)用有限元軟件midas Civil和FEA對(duì)該高速鐵路梁拱組合特大橋施工中拱腳及0號(hào)段混凝土受力情況進(jìn)行了仿真分析，以探究裂縫成因。在不考慮混凝土材料的收縮徐變施工條件下，拱腳及0號(hào)段混凝土應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的容許應(yīng)力，且結(jié)構(gòu)的變形較小；溫度單獨(dú)作用下，拱腳及0號(hào)段混凝土應(yīng)力相比于自重單獨(dú)作用時(shí)變化較小，強(qiáng)度相比于自重單獨(dú)作用時(shí)變化較大，但結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力也仍遠(yuǎn)小于材料容許應(yīng)力值；在溫度效應(yīng)和混凝土硬化時(shí)收縮徐變效應(yīng)共同作用下，拱腳和0號(hào)段混凝土多處出現(xiàn)應(yīng)力超限，混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，裂縫方向與實(shí)際裂縫基本吻合，數(shù)值分析與實(shí)際裂縫狀態(tài)得到相互驗(yàn)證，表明該階段拱腳開(kāi)裂是由于溫度、收縮徐變效應(yīng)引起，施工中應(yīng)特別注意環(huán)境因素和大體積混凝土澆筑對(duì)施工質(zhì)量的影響。