連續(xù)梁施工期腹板斜裂縫成因分析和防治措施

高恩全 鄭永衛(wèi) 王豐平

(浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310006)

0 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋?yàn)槌Ｒ?guī)橋梁，設(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)豐富。采用平面桿系計(jì)算程序進(jìn)行仿真分析能得到各個(gè)施工階段的整體應(yīng)力狀態(tài)，計(jì)算可靠。同時(shí)對(duì)主跨超過(guò)百米的連續(xù)梁橋，一般引入了專業(yè)的第三方監(jiān)控，對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)分析、全程監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步保障了結(jié)構(gòu)的安全。然而實(shí)際施工過(guò)程中箱梁卻往往出現(xiàn)各種受力裂縫和非受力裂縫，出乎技術(shù)人員的意料。尤其是施工早期，如0號(hào)塊澆筑等，裂縫產(chǎn)生時(shí)結(jié)構(gòu)受力較小，按常規(guī)桿系理論分析難以得出有益的結(jié)論。大多數(shù)裂縫的產(chǎn)生是由于局部應(yīng)力超出允許值，屬于局部失效范疇，使得基于平截面假定的桿系理論分析手段失效。因此本類裂縫計(jì)算理論分析需要引入三維有限元的方法。

以某連續(xù)梁橋0號(hào)～2號(hào)節(jié)段為例，利用ANSYS軟件建立三維有限元局部模，通過(guò)進(jìn)行多工況下三維有限元分析，探求本橋0號(hào)～2號(hào)節(jié)段腹板出現(xiàn)斜裂縫的主要原因。根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出了防治措施應(yīng)用于后續(xù)節(jié)段，通過(guò)實(shí)測(cè)表明采取的措施合理有效，后續(xù)節(jié)段未出現(xiàn)腹板斜裂縫。

1 橋梁設(shè)計(jì)概況簡(jiǎn)介

本文以筆者設(shè)計(jì)的一座連續(xù)梁橋?yàn)楸尘?，?68+120+68)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。主梁為單箱單室結(jié)構(gòu)，箱頂全寬12.75 m，箱梁底寬6 m，懸臂板長(zhǎng)3.375 m。主梁墩頂高7.2 m，跨中梁高3.2 m。該橋按節(jié)段施工，0號(hào)～1號(hào)梁段及合龍段采用滿堂支架現(xiàn)澆，其余梁段懸臂澆筑，主梁設(shè)三向預(yù)應(yīng)力。主梁1號(hào)～3號(hào)節(jié)段長(zhǎng)3.0 m，腹板厚度0.75 m，節(jié)段梁高5.608 m～6.591 m。1 號(hào)節(jié)段根部及前端截面見(jiàn)圖1，圖2。

該橋滿堂支架施工1號(hào)段后，雖未張拉預(yù)應(yīng)力，卻發(fā)現(xiàn)了沿預(yù)應(yīng)力管道方向的腹板斜裂縫。同時(shí)在施工完2號(hào)節(jié)段時(shí)，邊中跨節(jié)段腹板又發(fā)現(xiàn)了該類裂縫。該類裂縫豎向位于腹板中部，縱向位于新澆節(jié)段中間位置，沿預(yù)應(yīng)力下彎管道開(kāi)展，縱向未貫通整個(gè)節(jié)段，如圖3所示。檢測(cè)表明各條裂縫寬度均小于0.1 mm，長(zhǎng)度約為1 m。

圖1 1號(hào)節(jié)段根部截面

圖2 1號(hào)節(jié)段前端截面

圖3 裂縫位置示意圖

2 腹板斜裂縫成因探討

該橋裂縫出現(xiàn)在0號(hào)～2號(hào)節(jié)段，并且預(yù)應(yīng)力張拉前就已開(kāi)展。根據(jù)計(jì)算可知，該工況條件下，梁段應(yīng)力水平低，除自重、預(yù)應(yīng)力外無(wú)其他結(jié)構(gòu)荷載。開(kāi)裂情況無(wú)法用桿系理論解釋，屬于典型的局部空間受力問(wèn)題，應(yīng)力非規(guī)則區(qū)影響導(dǎo)致裂縫開(kāi)展。針對(duì)該橋的情況，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外混凝土腹板裂縫的研究，本文認(rèn)為引起腹板斜裂縫的可能原因[1]主要有以下幾個(gè):

1)自重、掛籃引起的空間效應(yīng)。2)水化熱的溫差效應(yīng):混凝土初凝前由于處于流塑狀態(tài)，先澆老混凝土對(duì)新澆節(jié)段變形約束較弱。隨著齡期的增長(zhǎng)，新老混凝土交界面約束加強(qiáng)，當(dāng)新澆混凝土水化熱引起的溫度大幅降低時(shí)，便產(chǎn)生溫度應(yīng)力。當(dāng)溫度約束應(yīng)力超過(guò)新澆混凝土強(qiáng)度時(shí)，便容易出現(xiàn)溫度裂縫。3)不同混凝土齡期引起的不均勻收縮效應(yīng):其原理與水化熱引起的溫差效應(yīng)類似，為老混凝土約束新混凝土變形引起的空間拉應(yīng)力。4)縱向預(yù)應(yīng)力張拉引起的空間應(yīng)力效應(yīng):各向預(yù)應(yīng)力的配置導(dǎo)致梁截面應(yīng)力場(chǎng)復(fù)雜化，存在一些應(yīng)力集中區(qū)域。平面計(jì)算不能準(zhǔn)確的反映預(yù)應(yīng)力效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。5)結(jié)構(gòu)削弱、應(yīng)力集中:結(jié)構(gòu)削弱并不直接產(chǎn)生拉應(yīng)力，但其引起應(yīng)力集中，放大了其他外荷載效應(yīng)。大量實(shí)例也證實(shí)裂縫往往首先產(chǎn)生在結(jié)構(gòu)削弱處，如預(yù)應(yīng)力管道周邊、橫隔板人孔處、施工預(yù)留孔四周等。

3 整體理論計(jì)算

3.1 平面分析模型

采用橋梁專業(yè)軟件QJX程序，根據(jù)該橋施工圖進(jìn)行建模，對(duì)該橋進(jìn)行施工過(guò)程及成橋狀態(tài)分析。全橋采用二維平面模型。結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖4。

圖4 結(jié)構(gòu)模型

3.2 施工仿真分析結(jié)果

分析表明斜裂縫出現(xiàn)在0節(jié)段～2節(jié)段澆筑工況，主梁受力較小，上緣最大拉應(yīng)力－0.07 MPa，下緣最大拉應(yīng)力－0.16 MPa，上下緣最大壓應(yīng)力2.9 MPa，滿足規(guī)范要求，可見(jiàn)主應(yīng)力均小于規(guī)范限值，梁體不會(huì)開(kāi)裂。由桿系計(jì)算可知，平面桿系理論雖然廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐，卻不能反映復(fù)雜的空間應(yīng)力和局部應(yīng)力。

4 有限元精細(xì)化分析

4.1 計(jì)算模型

箱梁結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在進(jìn)行有限元離散時(shí)選用適應(yīng)能力較強(qiáng)的三維實(shí)體單元(Solid65)，預(yù)應(yīng)力鋼束采用空間桿單元模擬(Link8)，鋼束與混凝土共同作用通過(guò)耦合節(jié)點(diǎn)自由度實(shí)現(xiàn)。為保證單元剖分準(zhǔn)確、細(xì)密，單元采用映射網(wǎng)格劃分，單元的最大邊長(zhǎng)不超過(guò)20 cm，全模型分得節(jié)點(diǎn)數(shù)47 600個(gè)，單元數(shù)36 649個(gè)，其中預(yù)應(yīng)力單元3 572個(gè)。

4.2 荷載工況

根據(jù)2節(jié)中的分析，計(jì)算從上述幾個(gè)角度出發(fā)，考察結(jié)構(gòu)在各荷載作用下的空間應(yīng)力分布情況。首先根據(jù)實(shí)際情況，考慮懸臂階段在自重、掛籃等荷載以及預(yù)應(yīng)力作用下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)分析結(jié)果工況1(見(jiàn)表1)。隨后，在工況1的基礎(chǔ)上考慮不均勻收縮、水化熱溫差等效應(yīng)，進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)分析結(jié)果工況2。不均勻收縮和水化熱溫差效應(yīng)均可采用對(duì)新澆筑節(jié)段進(jìn)行降溫的方法進(jìn)行模擬，降溫溫差選為20℃[2]。

表1 工況列表

4.3 計(jì)算結(jié)果

4.3.1 工況1(自重、預(yù)應(yīng)力等)

平面桿系計(jì)算顯示縱向正應(yīng)力較小，但對(duì)于實(shí)際空間結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)存在不容忽略的空間應(yīng)力，局部應(yīng)力必將超過(guò)桿系平均應(yīng)力?？臻g分析表明，除了預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)應(yīng)力集中處外，模型整體拉應(yīng)力較小，但壓應(yīng)力值大于桿系計(jì)算。上緣壓應(yīng)力最大值為4.3 MPa。腹板主應(yīng)力除錨固區(qū)外，均小于1 MPa。由于預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)普通鋼筋構(gòu)造強(qiáng)大，并由錨墊板分散局部應(yīng)力，該處計(jì)算應(yīng)力失真。因此，計(jì)算認(rèn)為在常規(guī)施工荷載的作用下，主梁整體應(yīng)力較小，主拉應(yīng)力不足以使得腹板開(kāi)裂。節(jié)段正應(yīng)力及主應(yīng)力圖見(jiàn)圖5，圖6。

4.3.2 工況2(水化熱、收縮效應(yīng))

從結(jié)構(gòu)收縮效應(yīng)和水化熱溫差效應(yīng)的原理可知，兩者在受力機(jī)理上存在一定的共性，均為老混凝土約束了新混凝土的變形，兩者均可以采用將新澆混凝土單元進(jìn)行降溫來(lái)模擬。其中降溫荷載包含了等效收縮溫差和等效水化熱溫差兩項(xiàng)。等效收縮溫差按現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行計(jì)算，主要考慮干燥收縮等。根據(jù)表2計(jì)算，收縮等效為溫差效應(yīng)后，降溫荷載可取0.65℃。水化熱溫差由于水化熱的作用溫度升高，混凝土凝固后，當(dāng)其降溫時(shí)產(chǎn)生溫度收縮，取降溫為20℃。

圖5 節(jié)段正應(yīng)力圖（單位：Pa）

圖6 節(jié)段主應(yīng)力圖（單位：Pa）

表2 收縮應(yīng)變計(jì)算表

根據(jù)上述計(jì)算，將等效溫差荷載共計(jì)20.65℃代入有限元模型，計(jì)算得節(jié)段正應(yīng)力云圖和主應(yīng)力矢量圖如圖7，圖8所示。結(jié)構(gòu)主應(yīng)力分布與實(shí)際情況較為符合。

圖7 節(jié)段主應(yīng)力云圖（單位：Pa）

4.3.3 分析總結(jié)

根據(jù)有限元分析可知，工況1計(jì)算的正應(yīng)力和主應(yīng)力均較小，小于混凝土開(kāi)裂應(yīng)力，由此可知在常規(guī)施工荷載作用下，不會(huì)出現(xiàn)該橋沿管道方向的腹板斜裂縫。進(jìn)一步考慮收縮、水化熱荷載后，計(jì)算主拉應(yīng)力大幅增大，在新老節(jié)段處達(dá)3.0 MPa，超出混凝土強(qiáng)度。對(duì)比主拉應(yīng)力云圖和現(xiàn)場(chǎng)裂縫分布可知，主拉應(yīng)力較大區(qū)域位于新澆節(jié)段近老節(jié)段處，且位于腹板中間區(qū)域，與裂縫分布一致。因此認(rèn)為該類腹板斜裂縫產(chǎn)生的主要原因是水化熱引起的溫差應(yīng)力。

圖8 主應(yīng)力矢量圖

5 防治措施研究及應(yīng)用

鑒于水化熱是該橋出現(xiàn)腹板沿預(yù)應(yīng)力管道方向斜裂縫的主要原因，本文提出了以降低施工階段水化熱效應(yīng)、引導(dǎo)釋放溫差應(yīng)力為主，經(jīng)濟(jì)、合理地加強(qiáng)臨時(shí)構(gòu)造措施為輔的防治措施。1)從材料入手，優(yōu)化配合比。適當(dāng)?shù)膿郊臃勖夯液偷V物摻合料將降低水泥水化放熱速度，緩解高性能混凝土水泥用量大及標(biāo)號(hào)高引起的早期放熱量，降低溫度應(yīng)力。2)混凝土的合理澆筑和養(yǎng)護(hù)?？刂苹炷敛鹉r(shí)間，避免出現(xiàn)拆模后溫度驟降的情況。進(jìn)一步加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)工作，控制混凝土溫差，保持混凝土處于濕潤(rùn)狀態(tài)，引導(dǎo)溫差應(yīng)力緩慢釋放。養(yǎng)護(hù)措施主要有蒸汽養(yǎng)護(hù)、橋面覆蓋草墊、帆布包裹混凝土表面等[3]。3)加強(qiáng)臨時(shí)構(gòu)造措施。通過(guò)調(diào)整箍筋間距和加大鋼筋直徑，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)抵抗水化熱產(chǎn)生的臨時(shí)溫差應(yīng)力的性能。該橋后續(xù)施工階段加強(qiáng)了水化熱控制和后期養(yǎng)護(hù)，實(shí)測(cè)表明后續(xù)3號(hào)～14號(hào)段均未出現(xiàn)腹板斜裂縫，驗(yàn)證了本文建議措施的合理性，進(jìn)一步表明本文分析方法和分析結(jié)論是有效的、可信的。

6 結(jié)語(yǔ)

1)平面桿系程序分析結(jié)果不能給出箱梁開(kāi)裂部位應(yīng)力狀態(tài)的確定性解答，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在安全隱患。在橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)注重橋梁空間應(yīng)力，特別是局部應(yīng)力的精細(xì)化分析。2)水化熱溫差效應(yīng)是本類裂縫開(kāi)展的主要原因之一，應(yīng)加強(qiáng)橋梁溫度應(yīng)力驗(yàn)算，特別是空間溫度效應(yīng)的影響分析。3)施工過(guò)程中應(yīng)通過(guò)采用合理的配合比、限制水化熱，并通過(guò)精心養(yǎng)護(hù)引導(dǎo)水化熱溫度緩慢釋放，降低溫差應(yīng)力，保證施工早期結(jié)構(gòu)的安全性。

[1] 沈旭東.支架現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁開(kāi)裂原因分析[A].第十八屆全國(guó)橋梁學(xué)術(shù)會(huì)議論文集(下冊(cè))[C].2008.

[2] 張國(guó)志.混凝土早期開(kāi)裂評(píng)價(jià)指標(biāo)研究[J].混凝土，2008，287(5):90-93.

[3] 李俊升.混凝土箱梁水化熱溫度試驗(yàn)分析與裂縫控制[J].橋隧工程，2011(5):13-15.

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