框架箱涵施工過程中不同施工工藝對抑制裂縫效果分析

摘" 要：該文通過現(xiàn)場不同間距布置降溫水管并結(jié)合采用鋼模板及木模版對抑制裂縫效果分析，同時結(jié)合數(shù)值模擬數(shù)據(jù)分析得到，鋼模板的裂縫長度及平均裂縫寬度較木模板效果更好，同時鋼模版對于混凝土內(nèi)部溫度消散更快；在考慮經(jīng)濟(jì)性影響，通過1 m間距布置降溫水管混凝土內(nèi)部溫度峰值較小，同時可達(dá)到預(yù)期抑制裂縫效果。

關(guān)鍵詞：框架橋；裂縫；數(shù)值模擬；模版；降溫水管

中圖分類號：U449.5" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）06-0028-04

Abstract： This paper analyzes the effect of suppressing cracks by arranging cooling water pipes at different intervals on site and combining the use of steel formwork and wood formwork. At the same time， it is concluded that the steel formwork has better effect than the wood formwork in terms of crack length and average crack width， and the steel formwork has better effect on concrete The internal temperature dissipates faster; considering the economic impact， the internal temperature peak of the concrete is smaller by arranging cooling water pipes at a distance of 1 m， and the expected effect of suppressing cracks can be achieved.

Keywords： frame bridge; crack; numerical simulation; template; cooling water pipe

下穿鐵路框架橋涵是在現(xiàn)有鐵路的基礎(chǔ)上，跨越鐵路采用的一種有效形式。在框架箱涵施工過程中一般先進(jìn)行預(yù)支并在現(xiàn)場進(jìn)行頂推作業(yè)。很多施工表明，框架箱涵在進(jìn)行預(yù)制過程中，裂縫已經(jīng)出現(xiàn)并且開裂導(dǎo)致的影響較嚴(yán)重；由于框架箱涵裂縫成因復(fù)雜，國內(nèi)外眾多學(xué)者針對框架箱涵裂縫成因及控制措施的相關(guān)研究也主要集中在以定性分析為主的探索上。

1" 框架箱涵裂縫研究現(xiàn)狀

國外對框架箱涵裂縫成因研究可追溯到20世紀(jì)70年代，主要對框架箱涵裂縫開裂原因研究較多。H.R.Lutao、Altoubatsa分析了不同因素對混凝土力學(xué)性能及變形性能的影響，同時對混凝土收縮發(fā)展規(guī)律進(jìn)行大量研究[1]。Kim等[2]認(rèn)為溫度是決定混凝土早期強(qiáng)度的主要因素，同時認(rèn)為混凝土強(qiáng)度增長與混凝土硬化時間及溫度成比例關(guān)系。Suzuki等[3]首先通過本構(gòu)關(guān)系描述了混凝土早期溫度及力學(xué)性能，同時結(jié)合試驗數(shù)據(jù)分析了混凝土在施工過程中開裂的主要原因。我國對于框架箱涵裂縫成因研究相對較晚，可追溯到20世紀(jì)80年代后期。由于框架箱涵的受力結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，同時控制裂縫方法較局限，一般采用較少，主要應(yīng)用于高速公路發(fā)展及城市立交建設(shè)中。我國早期裂縫研究主要集中在混凝土裂縫防止措施等方面[4]。朱伯芳等[5]研究人員對混凝土溫度應(yīng)力及溫度控制方面做了大量的工作，基于水分遷移規(guī)律，提出模版影響因子概念，給出了混凝土及模版水分遷移規(guī)律，為采用何種模版進(jìn)行澆筑而減少混凝土裂縫提供了相應(yīng)依據(jù)。

對于混凝土裂縫研究成因國內(nèi)和國外已有很多學(xué)生進(jìn)行研究，對于不同的工程特性提出了相應(yīng)的治理措施，但是就混凝土裂縫成因方面對于框架箱涵研究的較少；同時由于混凝土裂縫的成因較復(fù)雜，針對框架箱涵裂縫成因的研究文獻(xiàn)欠缺，尤其從框架箱涵施工工藝對溫度及應(yīng)力研究分析較少，給施工控制方案的制定帶來不便。本文根據(jù)蘭州地區(qū)某工程項目，通過數(shù)值模擬結(jié)合試驗，從不同施工工藝導(dǎo)致混凝土溫度及應(yīng)力角度出發(fā)，研究最佳抑制裂縫效果，為相關(guān)工程項目提供參考。

2" 不同施工工藝對框架箱涵裂縫抑制效果分析

2.1" 混凝土澆筑與水化熱模擬

當(dāng)模型轉(zhuǎn)入結(jié)構(gòu)分析后，在Ansys中改變分析類型，并添加彈性模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)等材料參數(shù)，改變原先的熱力學(xué)材料屬性，變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)分析材料類型，并賦給相應(yīng)部分的單元，其中各部分的彈性模量根據(jù)計算施加相應(yīng)的等效彈性模量，熱膨脹系數(shù)取0.9×10-5，見表1。施加重力及相應(yīng)的邊界條件，將最大溫差時溫度場計算結(jié)果作為荷載施加到模型進(jìn)行求解計算，得到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)計算結(jié)果。

在混凝土澆筑后，彈性模量是隨著齡期的增加而增大，大體積混凝土的瞬時彈性模量為式中：E（t）為t齡期混凝土彈性模量（N/mm2）；E0為28 d混凝土彈性模量，取3.25×104（N/mm2）；e為常數(shù)，取2.718，t為齡期（d）。

彈性模量隨著齡期的具體變化過程如圖1所示。

如圖2所示，隨著齡期時間的遞增，澆筑后混凝土抗拉強(qiáng)度隨之遞增。當(dāng)澆筑時間在3～14 d區(qū)間內(nèi)，混凝土抗拉強(qiáng)度由1.25 MPa遞增至2.03 MPa；在澆筑14 d以后，抗拉強(qiáng)度區(qū)域平緩。在澆筑的前期，混凝土抗拉強(qiáng)度較低，而在一天以后，混凝土抗拉強(qiáng)度急劇升高。在施工過程中，為更好控制混凝土施工裂縫，要求在混凝土早期進(jìn)行應(yīng)力控制，防止溫度及溫差較大而導(dǎo)致溫度應(yīng)力過大，使混凝土應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度而產(chǎn)生裂縫。

2.2" 不同工況下數(shù)值模擬分析

本文通過不同模版及在施工過程中設(shè)置降溫水管進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同工況下對裂縫的抑制效果。

2.2.1" 鋼模板及木模板對抑制裂縫效果數(shù)值模擬分析

輸入鋼模板及木模板不同參數(shù)，考慮配筋進(jìn)行分區(qū)域塊建模如圖3、圖4所示。

如圖3及圖4所示，在澆筑完成48 h以后，鋼模板底板最高溫度為56 ℃左右，木模板底板最高溫度為74 ℃。鋼模板中的溫度明顯低于木模板，說明鋼模板對混凝土中溫度消散起到促進(jìn)作用。

2.2.2" 設(shè)置不同工況下降溫水管對抑制裂縫效果分析

本文根據(jù)降溫水管材料特性，通過布置不同工況下降溫水管來探究對混凝土裂縫抑制效果，分別從箱涵頂部4 m間距及和底部1 m間距位置進(jìn)行布置。如圖5所示。

如圖5所示，混凝土從底部右側(cè)現(xiàn)行澆筑，當(dāng)時間為40 h時，混凝土內(nèi)部溫差達(dá)到極值4.2 ℃，隨后溫差降低；當(dāng)時間為72 h時開始澆筑頂部，當(dāng)時間在72～96 h區(qū)間內(nèi)，溫差明顯增大，當(dāng)時間為96 h時，溫差達(dá)到最大，其峰值為12 ℃。后續(xù)隨著時間推移溫差逐漸降低，當(dāng)時間為220 h時，溫差幾乎趨于0 ℃。對比2種工況下設(shè)置降溫水管對抑制裂縫結(jié)果，底部間距1 m位置設(shè)置降溫水管較頂部4 m設(shè)置降溫水管，從溫差控制及溫度峰值控制等方面效果更佳。

2.3" 試驗對比分析

根據(jù)前期對不同工況下混凝土裂縫抑制效果數(shù)值模擬分析，根據(jù)不同工況進(jìn)行現(xiàn)場試驗，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.3.1" 采用鋼模板及木模板現(xiàn)場試驗分析

結(jié)合有限元模擬分析結(jié)果，通過對混凝土裂縫進(jìn)行現(xiàn)場觀測，測得試驗點位裂縫的變化規(guī)律。在試驗現(xiàn)場選取B箱涵與C箱涵分別進(jìn)行裂縫觀測，C箱涵采用木模板澆筑，B箱涵采用鋼模板澆筑，加以養(yǎng)護(hù)。

通過現(xiàn)場觀測，對不同模版下裂縫寬度進(jìn)行分析。

在C箱涵中選取具有代表性裂縫進(jìn)行分析，如圖6所示。C箱涵中最大平均裂縫寬度為0.309 mm，最小平均裂縫寬度為0.285 mm。裂縫寬度貫穿整個箱涵并聯(lián)通側(cè)墻。

在B箱涵中選取具有代表性裂縫進(jìn)行分析，如圖7所示。B箱涵中最大平均裂縫寬度0.143 mm，最小平均裂縫寬度0.136 mm。裂縫呈現(xiàn)中間寬，兩頭小，并在箱涵中延伸一段距離后逐漸消散。

對比C箱涵和B箱涵中裂縫寬度，采用鋼模板中箱涵裂縫較采用木模板中裂縫寬度較小，同時鋼模板中裂縫長度較木模板中裂縫長度較短，就現(xiàn)場施工實際，B箱涵中采用鋼模板對抑制裂縫效果更好。

2.3.2" 設(shè)置不同工況下降溫水管現(xiàn)場試驗分析

結(jié)合有限元模擬分析結(jié)果，通過設(shè)置降溫水管對混凝土裂縫進(jìn)行現(xiàn)場觀測，測得試驗點位裂縫的變化規(guī)律。在試驗現(xiàn)場選取B箱涵與C箱涵分別進(jìn)行裂縫觀測，C箱涵采用4 m澆筑，B箱涵采用1 m澆筑，加以養(yǎng)護(hù)。

通過降溫水管4 m間距布置，在C箱涵中選取代表性裂縫進(jìn)行分析如圖8所示。C箱涵中最大平均裂縫寬度0.264 mm，最小平均裂縫寬度0.215 mm。裂縫寬度貫穿整個箱涵并聯(lián)通側(cè)墻。

通過降溫水管1 m間距布置，在B箱涵中選取代表性裂縫進(jìn)行分析如圖9所示。B箱涵中最大平均裂縫寬度0.117 mm，最小平均裂縫寬度0.055 mm。裂縫呈現(xiàn)中間寬，兩頭小，并在箱涵中延伸一段距離后逐漸消散。

對比C箱涵和B箱涵中不同間距設(shè)置降溫水管裂縫寬度，采用1 m間距布置降溫水管中箱涵裂縫較采用4 m間距布置降溫水管中裂縫寬度較小，同時采用1 m間距布置降溫水管中箱涵裂縫較采用4 m間距布置降溫水管中裂縫長度較短，同時結(jié)合現(xiàn)場施工實際及考慮經(jīng)濟(jì)性，B箱涵中采用1 m布置降溫水管對抑制裂縫效果更好。

3" 結(jié)論

1）框架箱涵施工過程中，通過分析鋼模板和木模板對抑制裂縫效果，采用鋼模板其裂縫長度及平均裂縫寬度較木模板效果更好，同時鋼模板對于混凝土內(nèi)部溫度消散更快。

2）通過不同間距布置降溫水管對抑制裂縫效果分析，通過1 m間距布置降溫水管較4 m布置降溫水管對抑制裂縫效果更好，根據(jù)現(xiàn)場試驗，間距越小對抑制裂縫效果更好，考慮經(jīng)濟(jì)性影響，本文采用1 m間距布置降溫水管可達(dá)到預(yù)期抑制裂縫效果。

3）結(jié)合不同工況下對抑制裂縫效果結(jié)果分析，現(xiàn)場施工過程中采用鋼模板并按照1 m位置設(shè)置降溫水管可以達(dá)到最佳抑制裂縫效果。

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基金項目：甘肅省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（S202316209005）；蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué)科研項目（2023KY-11）；蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué)建筑結(jié)構(gòu)抗震新方法新技術(shù)科研創(chuàng)新團(tuán)隊（無編號）；甘肅省教育廳高校教師創(chuàng)新基金項目（2025B-315）

第一作者簡介：郭兵文（1992-），男，碩士，講師。研究方向為框架橋。

*通信作者：吳亞平（1958-），男，博士，教授。研究方向為力學(xué)。