預(yù)制箱梁早期溫度裂縫分析

火東存，薛琳婧，何 勇

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000)

混凝土價格低廉、抗壓強(qiáng)度較高，是橋梁施工的首選材料，但是水泥水化熱量大，而混凝土導(dǎo)熱性能差，從而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)外溫差以及溫度應(yīng)變[1-3]。因為溫度應(yīng)變而引發(fā)的混凝土箱梁早期溫度裂縫在所難免，嚴(yán)重危及橋梁結(jié)構(gòu)安全、困擾工程技術(shù)人員，雖然國內(nèi)外學(xué)者就這一問題進(jìn)行了大量的理論研究和工程實踐，但目前尚未得到全面有效的研究和控制，因此開展對于箱梁溫度裂縫的研究具有“防微杜漸”的意義[4-5]。本文以實際工程為背景，采用有限元軟件建立箱梁實體模型，模擬分析了不同溫差對于混凝土箱梁早期溫度裂縫發(fā)展規(guī)律的影響，以期為混凝土箱梁的抗裂提供些許參照。

1 工程概況

某連續(xù)梁橋一聯(lián)四跨(4×40)，共四聯(lián)，每聯(lián)橋縱向及橫向截面示意圖如圖1所示。該橋上部橋跨結(jié)構(gòu)采用裝配式混凝土箱梁，先簡支后連續(xù)；下部基礎(chǔ)工程采用預(yù)制樁基礎(chǔ)。

圖1 橋梁截面示意圖

2 有限元模型

采用大型通用軟件Midas Fea按1∶1 比例建立小箱梁有限元實體模型，模擬分析溫度在小箱梁預(yù)制過程中的影響。模型采用 solid45 體單元。由于結(jié)構(gòu)的對稱性，取四分之一結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，共劃分 96 354個單元，20 767 個節(jié)點，可保證計算精度。

2.1 相關(guān)參數(shù)的設(shè)置

1)彈性模量

根據(jù)現(xiàn)場溫度場試驗數(shù)據(jù)可知，箱梁澆筑后前36 h溫度急速上升，隨后逐漸下降，取溫度下降時相應(yīng)時間的彈性模量，以回歸方程求出對應(yīng)彈性模量[6-7]。

2)密度

構(gòu)件砼標(biāo)號為C50，其密度為2.45 t/m3。

3)泊松比

砼和鋼筋的泊松比均為0.2。

4)熱膨脹系數(shù)

砼、鋼筋的線膨脹系數(shù)分別按照0.000 010/℃、0.000 012/℃進(jìn)行設(shè)定，其他參數(shù)根據(jù)工程實際設(shè)定。

2.2 初始條件和邊界條件

箱梁內(nèi)部高溫是由于水泥水化釋放的熱量。為簡化模型，本文按照施加溫度荷載的形式實現(xiàn)箱梁溫度應(yīng)力的分析。本文通過施加多個不同的溫度梯度來分析不同溫差作用下砼箱梁內(nèi)溫度應(yīng)力的分布規(guī)律。

因箱梁底部與臺座相接，可將其假定為絕熱的邊界；因鋼模隔熱保溫性能差，可近似按裸露在空氣中來考慮砼箱梁表面溫度。

2.3 荷載施加及求解

由于箱梁澆筑早期砼溫度急劇上升，彈性模量較小，塑形應(yīng)變占主要部分，壓應(yīng)力不大；而溫度達(dá)到最大值后開始下降，彈性模量升到穩(wěn)定的極大值點，應(yīng)變較大。因此箱梁在溫升階段的溫度應(yīng)力可以忽略不計，重點分析研究降溫階段的溫度應(yīng)力。本文分別取箱梁的內(nèi)外溫差為10、20、30 ℃時的溫度荷載作為結(jié)構(gòu)荷載施加于箱梁模型中，其中溫差為10 ℃時對應(yīng)齡期和彈性模量設(shè)定為70 h、19.05 GPa，溫差為20 ℃時對應(yīng)齡期和彈性模量設(shè)定為48 h、15.43 GPa，溫差為30 ℃時對應(yīng)齡期和彈性模量設(shè)定為38 h、13.2 GPa，以此模擬分析箱梁在各個情況下的溫度應(yīng)力分布。

3 結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力分析

考慮到梁段對稱性，本文選用箱梁中梁及邊梁的底板中部、腹板與底板交界處、翼緣板邊緣處作為分析對象，分別分析中梁及邊梁在10、20、30 ℃溫差作用下的單元應(yīng)力，研究箱梁縱向的應(yīng)力變化趨勢。中梁及邊梁主應(yīng)力沿縱向的變化曲線，如圖2、圖3所示。

圖2 中梁主應(yīng)力變化曲線

圖3 邊梁主應(yīng)力變化曲線

分析圖2中梁主應(yīng)力分布曲線可得如下規(guī)律：溫差作用下，中箱梁內(nèi)的應(yīng)力主要表現(xiàn)為拉應(yīng)力；當(dāng)溫差為10 ℃時，應(yīng)力最大值主要分布在跨中底板處、1/4跨的腹板與底板交界處以及1/4跨的翼緣板邊緣處，其中腹板與底板交界處在臨近1/4跨處的應(yīng)力最大。翼緣板兩端及跨中局部表現(xiàn)為壓應(yīng)力，其余均表現(xiàn)為拉應(yīng)力；當(dāng)溫差為20、30 ℃時，應(yīng)力分布同10 ℃相似，主要為拉應(yīng)力；應(yīng)力隨溫差的增大而逐漸增大，分布范圍也逐漸從構(gòu)件的端部向跨中延伸，局部產(chǎn)生的較大拉應(yīng)力會導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。

分析圖3邊梁主應(yīng)力分布曲線可得如下規(guī)律：溫差作用下，邊梁底板中部應(yīng)力分布狀態(tài)與中梁大致相同；邊梁在腹板與底板交界處及翼緣板邊緣處的主應(yīng)力值均大于中梁，究其原因為二者截面尺寸不同，由此表明截面尺寸對于箱梁溫度應(yīng)力有一定影響。

3.2 應(yīng)變分析

對比分析各溫差下的實測應(yīng)變值與模擬值以確定模型的可靠性，對比如表1所示。

表1 降溫10、20、30 ℃時應(yīng)變的模擬值與實測值對比 10-4

分析表1所列數(shù)據(jù)可知，箱梁溫度應(yīng)變的數(shù)值模擬值和實測值較接近，說明所建模型可靠，可用于后續(xù)更深入的分析。各溫差作用下中梁、邊梁的主應(yīng)變圖如圖4、圖5所示。

圖4 中梁主應(yīng)變圖

圖5 邊梁主應(yīng)變圖

由圖4中梁主應(yīng)變云圖可以看出：中梁在溫差10 ℃時的應(yīng)變集中在8.66×10-5～2.79×10-4，溫差20 ℃的應(yīng)變集中在1.63×10-4～3.66×10-4，溫差30 ℃的應(yīng)變集中在2.35×10-4～4.92×10-4，箱梁應(yīng)變隨溫差的增大而變大，分布規(guī)律與應(yīng)力類似。

由圖5邊梁主應(yīng)變云圖可以看出：邊梁在溫差10 ℃時的應(yīng)變集中在6.81×10-5～2.53×10-4，溫差20 ℃的應(yīng)變集中在1.31×10-4～4.09×10-4，溫差30 ℃的應(yīng)變集中在1.60×10-4～4.92×10-4，應(yīng)變隨溫差的增大而增大，翼緣板處的應(yīng)變最大。

簡而言之，中梁、邊梁在跨中測點處的應(yīng)變均隨溫差增大而變大，靠近底板處的測點應(yīng)變最大，腹板中部次之；箱梁在各溫差作用下的應(yīng)變基本為拉應(yīng)變[7-8]。

4 結(jié)論及建議

本文通過建立混凝土箱梁的有限元模型，分別分析了10、20、30 ℃三種不同溫差作用下箱梁應(yīng)力、應(yīng)變的分布規(guī)律。研究結(jié)果表明：各溫差作用下，箱梁內(nèi)的應(yīng)力、應(yīng)變主要表現(xiàn)為拉應(yīng)力、拉應(yīng)變，并隨溫差的增大而增大，增大至一定值后會導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。建議采用適時安排混凝土澆筑時間、加強(qiáng)覆蓋保溫、及時灑水養(yǎng)護(hù)、早期張拉工藝等措施來控制混凝土箱梁內(nèi)外溫差，從而抑制混凝土箱梁早期溫度裂縫的出現(xiàn)。