芒稻河特大橋面板混凝土施工期裂縫與溫度應力關系規律研究

黃蘭可

(蘇交科集團股份有限公司，南京 210019)

橋梁面板是承受過往車輛、行人荷載的直接承重結構，其結構的可靠性和耐久性直接影響到橋梁的承載能力與結構性能。據統計，約有97.2%的橋梁面板采用混凝土結構，由于混凝土施工期容易因局部溫度應力張拉出現裂縫，導致混凝土表面出現剪切塑性破壞。由此可見，從根本上減小橋梁面板混凝土裂縫，必須了解橋梁面板混凝土施工過程中溫度應力發展過程、分布規律，從而針對性地提出解決措施[1-5]。

針對橋梁面板裂縫控制，國內外學者做了諸多研究[6-8]，取得了一定的研究進展。英國伯明翰大學的L.Poster教授對英國西部三郡的橋梁面板裂縫位置及溫度應力分布做了大量研究分析，經過統計整理提出混凝土裂縫一般發生在溫度應力的極值區域；加拿大橋梁結構與荷載研究院的I.Oscar教授基于彈性力學、數值方程的基礎學科理論，將數值仿真技術應用到橋梁應力應變過程研究中，并建立了日本北海道雪川大橋的三維數值模型；我國大連理工大學的杜成斌教授對橋梁面板混凝土施工期溫度場和溫度應力計算分析進行了大量研究，對施工期水化熱溫度場和溫度應力做了詳細研究。

在此基礎上，本文以五峰山過江通道跨芒稻河特大橋為研究實例，通過實例工程施工過程中溫度、應力應變、裂縫大小等特征因子原型觀測和分析對比，探討施工期裂縫與溫度應力關系規律。

1 工程概況

五峰山過江通道在K6+846.280～K8+821.680通過芒稻河特大橋跨越芒稻河。芒稻河大橋平面位于直線段上，最大縱坡坡度為2.5%，最短坡長為475 m，豎曲線最小半徑：凸型20 000 m、凹型12 000 m。

全橋共12聯，主橋上部結構采用(77+3×130+82) m預應力混凝土剛構-連續梁組合體系；引橋第1～7及11聯、12聯上部結構采用裝配式部分預應力混凝土連續箱梁，芒稻河大橋橋跨布置圖如圖1所示。

圖1 芒稻河大橋橋跨布置圖

2 混凝土施工期溫度、應變監測設置

2.1 溫度、應力應變監測點布置設計

為研究施工過程中混凝土面板區域溫度、應力應變的變化過程，根據橋梁面板層厚度，共布置上、中、下3層監測點。其中上層與下層布設24個測點，中間層布設20個測點。在每個測點上布設一個溫度測量計以及2個應力應變計，個別測點由于安裝困難只設置1個應力應變計，因此總共布設68個溫度測量計以及113個應力應變計，測量布置如圖2所示。

2.2 溫度、應力應變監測頻次設計

混凝土初期應變及內部溫度變化很劇烈，內部溫度的升高主要來自于水泥水化熱，水化熱放熱的高峰期出現在混凝土澆注后的2～4 d，混凝土內部的變形影響因素較多，初期變化也較大。因此要適當增加早期的應變監測頻次，混凝土入倉前進行第一次數據(即初始數據)采集，第1～4 d每6 h測一次，第5～14 d每12 h測一次，第15～28 d每24 h測一次，并根據實際情況適當調整監測頻次。

圖2 橋梁面板各層監測點布置示意圖

現場監測不同于實驗室，由于存在各種不確定性的外界因素導致監測工作不能按期進行，例如：下雨等惡劣的天氣原因以及現場施工情況造成的逾期監測。

2.3 橋梁面板混凝土裂縫發展過程監測與測量

參考以往研究經驗，主要采用TTO-F20115裂縫寬度測量儀進行裂縫測量，同時在測量過程中采用鋼卷尺輔助進行測量。用TTO-F20115裂縫寬度測量儀采用先進的粒子成像技術，可以同比例地模仿裂縫幾何尺寸及發展過程，且測量精度較高，可以較好地研究裂縫發展規模及具體參數。

3 橋梁面板混凝土施工期監測結果及分析

3.1 混凝土熱力學參數檢測結果

不同齡期時的抗拉彈性模量及抗拉強度，體積收縮系數是混凝土熱力學的主要參數指標。根據實例工程的檢測記錄，橋梁面板混凝土熱力學參數檢測數據如表1所示。

表1 橋梁面板混凝土熱力學參數檢測數據

3.2 典型監測點溫度、應變歷程分析

分析68個測點的數據應變過程，發現上、中、下3層的數據變化趨勢基本一致，其中上、下2層的變化幅度要大于中層。因此，選擇上層的第11個測點(編號111)為代表，其溫度、應變歷程見圖3，圖中111X、111Y分別為X方向、Y方向拉應變時程曲線，111T為溫度時程曲線。

圖3 上、下層典型監測點應變、溫度時程曲線

分析可知：溫度、應變可分為4個典型階段：

1) 迅速放熱、混凝土膨脹階段(入倉后0～24 h)

橋梁面板混凝土剛入倉后，混凝土產生大量的水化熱，在24 h內，溫度迅速由19.0 ℃上升至35.2 ℃，溫度平均增幅為0.675 ℃/h，此時X、Y方向的應變均迅速膨脹，其中X方向應變由0με增大至-150.3με(負號表示方向，下同)；Y方向應變由5.1με增大至- 223.5με，增加幅度較大，幅度變化較快。

2) 放熱減緩，混凝土膨脹速度減緩(入倉后1～13.5 d)

隨著混凝土水化熱逐漸減小，混凝土逐漸穩定。同時，由于倉內混凝土溫度達到峰值，倉內混凝土向倉外熱傳遞能量大于水化熱能量，溫度升溫減緩并逐漸開始反彈下降，但下降幅度較緩慢。在12.5 d時間內，溫度由35.3 ℃逐漸減小至14.5 ℃，平均減小速度為1.664 ℃/d，在減小過程中有數次波動反彈。與此同時，X方向應變與Y方向應變緩慢回升，至13.5 d時，X方向應變已恢復至入倉時刻的0με，而Y方向應變只恢復至-135.8με附近。在13.5 d時，混凝土由壓應力開始變為拉應力。

3) 二次溫升，混凝土緩慢收縮階段(13.5～18 d)

在該階段，其他部位混凝土澆筑，將部分水化熱量傳遞至橋梁面板混凝土，倉內混凝土溫度再次升高，導致溫度再次上升，應變相應減小。

4) 最終溫度，緩慢調整(18～30 d)

在該階段倉內混凝土逐漸與倉外溫度相同，溫度基本穩定，X、Y方向應變也最終平衡穩定。

同時，選擇上下2層多個監測點，監測點應力時程曲線如圖4所示，數值為正表示壓應力，數值為負表示拉應力。分析可知：在混凝土上、下2層，應力隨時間變化規律一致，齡期0～2 d應力值下降，表現為受壓狀態，各點在2 d處極值的變化范圍較寬。2 d之后，隨著齡期增長，各位置應力值緩慢增長，但在28 d齡期之內，仍然表現為受壓狀態。

圖4 上、下層典型監測點應力時程曲線

3.3 三維應變場切片云圖分析

根據實際監測數據，以混凝土入倉后0.5、1、4.8、13、24.8 d為代表，各時刻的應變場切片云圖見圖5～9所示。其中，紅色為正，表示拉應變；藍色為負，表示壓應變。

根據圖5～9可知，在混凝土剛入倉時，橋梁面板混凝土X、Y方向應變均呈現中層中心部分受壓周邊區域受拉的特性，隨著入倉時間推移，中心受壓程度增大，范圍也逐漸擴散。從第4.8 d開始，中心受壓程度逐漸減小，受壓范圍也不斷壓縮。在13 d時，橋梁面板混凝土中心區域由拉應力轉變為壓應力，四周則呈拉應力狀態，該狀態在13 d后變化速率下降，至24.8 d時基本趨于穩定。

圖5 混凝土入倉0.5 d時切片云圖

圖6 混凝土入倉1 d時切片云圖

圖7 混凝土入倉4.8 d時切片云圖

圖8 混凝土入倉13 d時切片云圖

圖9 混凝土入倉24.8 d時切片云圖

4 橋梁面板混凝土施工期裂縫與溫度應力關系規律研究

4.1 溫度變化過程

經統計、分析，橋梁面板上、中、下3層溫度變化過程趨勢據均一致，其中上、下2層通過熱傳遞能量較多，溫度較低；中間層溫度較高。因此，以上層的第11個測點(編號111)為代表，根據圖3可知，入倉后混凝土的溫度在0～1 d內迅速上升，然后在1～13.5 d內逐漸下降，再經過13.5～18 d再次升溫后，緩慢降至與室外大致相同的溫度，溫度曲線趨于平緩。

4.2 溫度應力、應變與溫度關系分析

根據文獻[9]，混凝土單元某時刻最大溫度應力可表示為：

σmax=βEα(T0-T*)λ(1-υ)

(1)

式中：β為能量傳遞紊動系數，通過待定求解；λ為溫度傳播系數，通過待定求解；E為混凝土彈性模量，根據實例工程取值為3.41×104；α為混凝土線性膨脹系數，根據實例工程取值為1.05×10-5；T0為混凝土入倉初始溫度；T*為待求混凝土單元某時刻實際溫度；υ為混凝土泊松比，根據實例工程取值為0.2。

根據實例工程68個測點，共2 475個數據點對式(1)進行線性回歸，得到實例工程的溫度應力表達式為：

σmax=0.116Eα(T0-T*)1.07(1-υ)

(2)

根據式(2)以及圖3可看出，混凝土單元某時刻溫度應力、應變與該時刻實際溫度呈顯著負相關。

4.3 橋梁面板混凝土裂縫與溫度應力關系

對實測數據進行統計分析，可以看見橋梁面板混凝土共出現了5條較明顯的裂縫，根據裂縫規模從大到小依次命名為B1、B2、B3、B4、B5。實例工程在24.8 d時，各層應變及裂縫情況如圖10所示。分析可知：B2、B3、裂縫附近的應變監測顯示該區域周圍的應變與周圍相比有較大變化，這說明早期裂縫的發生可能對應變值有一定關系。裂縫出現時，與其對應的區域應變并沒有發現跳變，應變在裂縫出現時依然變化平滑連續；同時，B2、B3、裂縫附近的應變極值相對于其他部位都偏高很多，推斷認為，應變極值較大區域附近更可能產生裂縫。

圖10 實例工程在24.8 d時各層應變分布及主要裂縫情況

裂縫寬度隨時間變化關系如圖11所示，前期出現的B1、B2、B3裂縫開始隨時間推移而增大，120 d后上述裂縫出現閉合趨勢；B4、B5裂縫為后期出現的裂縫，出現時間為105 d左右，裂縫寬度隨時間發展而變大。

圖11 裂縫開展時程曲線

同時，從實例工程溫度應力及裂縫發育過程可定性判斷，橋梁面板混凝土的入倉溫度是早期應變場分布的重要影響因素，裂縫產生的規模與溫度應力呈顯著的指數正相關。

4.4 臨界混凝土入倉溫度

根據《大體積混凝土施工規范》，t時刻混凝土抗拉強度可用下式進行計算：

ftk(t)=ftk(1-e-γt)

(3)

式中：ftk為混凝土抗拉強度標準值；γ為混凝土彈性系數，按照文獻[10-11]的研究結論，并根據本實例工程的情況取0.35。

同時，當σmax≤1.15ftk(t)時，認為混凝土溫度應力未達到承載極限，混凝土不會產生裂縫。因此，結合式(2)(3)可推出混凝土各有限元的臨界入倉溫度為12.5～19.3 ℃。因此，將實例工程中的混凝土入倉溫度控制在12.5 ℃以下，可有效防止混凝土因溫度應力產生開裂。

5 結論

1) 橋梁面板混凝土施工期裂縫大小規模與溫度應力呈指數正相關，且寬縫區域基本出現在溫度應力極值區域；

2)X向應變極值與Y向應變極值相似，但X向與Y向應變的受壓中心不一致，X向位于中層位置，Y向則位于底層；

3) 合理控制混凝土入倉溫度是有效控制混凝土裂縫的方式，經分析，混凝土各有限元的臨界入倉溫度為12.5～19.3 ℃。因此將實例工程中的混凝土入倉溫度控制在12.5 ℃以下，可有效防止混凝土因溫度應力產生開裂。