塔墩梁固結體系斜拉橋0#塊頂板裂縫成因分析及預防措施

曹旭華，陳海斌

（廣東省建筑設計研究院，廣東 廣州 510010）

1 工程概況

1.1 設計概況

某斜拉橋結構體系為塔墩梁固結形式，跨徑組合為160 m+85 m+35 m，上部結構采用扁平箱形預應力混凝土主梁，主塔采用倒Y型鋼筋混凝土橋塔。主梁采用C55混凝土，主塔采用C50混凝土。圖1為主橋立面圖。

圖1 主橋立面圖（單位：m）

1.2 施工概況

主塔和下橫梁一起施工，主塔采用爬模施工。0#塊長度為30 m（對稱于主塔墩中心線向兩側各15 m），采用滿堂支架施工，先施工主梁底板和腹板，最后施工頂板。主塔橫梁和0#塊施工間隔時間約為12個月，0#塊底板、腹板與頂板施工間隔約為33 d（主跨側）和72 d（邊跨側），具體澆筑時間 見表1。

表1 主梁0#塊澆筑時間表

1.3 0#塊裂縫分布情況

0#塊縱向預應力張拉完畢、橫向預應力尚未張拉時，發現頂板底出現不規則分布的縱向裂縫，頂板頂面和底板均未發現裂縫。裂縫寬度范圍為0.03～0.43 mm（靠近塔橫梁處的裂縫寬度大于靠近懸臂端處的裂縫寬度），裂縫深度約為頂板厚度的一半。其中邊跨側有約30條裂縫（頂板與底、腹板齡期差72 d），主跨側有約26條裂縫（頂板與底、腹板齡期差33 d）。圖2頂板底面裂縫分布平面示意圖。

2 水化熱和收縮應變的影響

2.1 分析工況

圖2 頂板底面裂縫分布平面示意圖

為比較不同施工工序0#塊在澆筑后的應力水平，本文先給出了兩種工況的由于不同構件齡期差的收縮對比結果，然后再以實際的施工工況結合水化熱分析給出0#塊頂板的計算結果。兩種工況均為先施工主塔：工況一假定0#塊的底板和腹板與頂板同時澆筑；工況二為實際的施工工況，即0#塊底板和腹板與頂板分開澆筑。通過計算分析施工期間的水化熱和收縮應變的影響，對0#塊產生裂縫原因進行分析。

2.2 有限元模型

采用大型有限元程序Midas/FEA 3.70對0#塊局部受力進行分析，采用結構的1/4對稱模型進行分析。結構模型包含：主塔橫梁、0#塊、1#塊、0#拉索、1#拉索及0#塊滿堂支架。計算模型見圖3。

圖3 有限元模型

主塔、0#塊、1#塊采用實體單元模擬，拉索采用桁架單元模擬，預應力鋼束采用程序自帶鋼筋單元進行模擬，對稱面上施加對稱約束，0#塊滿堂支架采用彈性連接單元進行模擬。有限元模型中坐標系方向：X-橫橋向；Y-順橋向；Z-豎向。

2.3 模型中考慮的荷載

恒載：主要是結構自重，施工臨時荷載較小可忽略[1]。

預應力：根據實際張拉的預應力進行加載[2]。拉索索力：實際施工索力。

混凝土收縮：根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）計算混凝土收縮應變 εcs（t，ts）=εcs0·βs(t-ts)。圖 4 為收縮應變曲線圖。

圖4 收縮應變曲線圖

水化熱熱源：熱源是為了模擬水化過程中混凝土內部產生的熱量[6]，大體積混凝土由水化熱引起的單位時間、單位體積的內部發熱量g（kJ）：

式中：ρ為密度，g/cm3；c為比熱，kJ/（kg·℃），K為絕熱最大溫升，℃；α為反應速度；t為時間，d。

絕熱溫升值：

式中：T為絕熱溫度，℃；K為絕熱最大溫升，℃；α為反應速度；t為時間，d。

熱源函數如圖5所示，絕熱最大溫升為54.8℃。

圖5 熱源函數圖

主要的水化熱計算參數見表2。

表2 水化熱計算參數表

2.4 僅考慮收縮效應的計算結果

2.4.1 工況一

根據假定，0#塊的底板和腹板與頂板同時澆筑進行施工階段模擬分析，得到的0#塊頂板下緣應力圖如圖6所示。

圖6 工況一0#塊頂板下緣應力平面圖

2.4.2 工況二

按實際施工工況，0#塊的底板和腹板與頂板分別澆筑進行施工階段模擬分析，得到的0#塊頂板下緣應力圖如圖7所示。

圖7 工況二0#塊頂板下緣應力平面圖

對比工況一和工況二，由于收縮應變而產生的底板應力較小，且兩者差別不大。工況一和工況二由于收縮應變而產生的0#塊頂板下緣最大拉應力為0.28 MPa，不足以導致構件開裂。因此，結合施工過程中產生的水化熱進行分析。

2.5 工況二結合水化熱的計算結果

2.5.1 溫度場計算及分析

主跨側SB0#段混凝土0#塊底腹板從2017年5月26日夜間22：15開始澆筑，6月27日開始澆筑頂板，因此分兩個施工階段進行模擬，每個施工階段按歷時32 d考慮，并將施工期間的邊界條件、對流交換條件和水化放熱條件施加在模型之上，用Midas/FEA的水化熱分析模塊進行瞬態的熱傳導分析，進入后處理，查看任意時刻的溫度場。從澆筑開始，20 h底腹板、700 h頂板底面和1 000 h頂板底面溫度場分布如圖8～圖10所示。

為判斷頂板底面的橫向應力值是否超出了容許應力值，本文給出了4個觀測點的應力情況。4個觀測點分布如圖11所示，頂板底面溫度場如圖12所示。

圖8 20 h底腹板溫度場

圖9 700 h頂板底面溫度場

圖10 1 000 h頂板底面溫度場

圖11 頂板底面溫度場變化觀測點

圖12 頂板底面溫度場變化曲線圖

分析結果表明：

（1）混凝土0#塊頂板底面觀測的4個節點達到最高溫度的時間和總體趨勢是基本相同的。在澆筑700 h左右，水化熱達到最高溫度35.5℃；澆筑1 000 h之后，各個部分的溫度都呈下降趨勢，頂板大部分區域基本與外界大氣溫度持平。

（2）頂板與空氣的對流散熱面積較大，水化熱產生的溫度散發得很快。腹板加厚段，尺寸較大，混凝土的體積較大，導致其內部熱量積聚得多，溫度也更高，高達58℃，消散熱量所需要的時間也更長。

2.5.2 應力場計算及分析

溫度應力使混凝土0#塊由于溫度變化而發生變形，由于受到內外約束的作用，而產生的溫度應力，依然選取上述的4個觀測點，查看其應力大小，應力結果如圖13所示。

圖13 頂板底面觀測點橫向應力曲線圖

對于C55混凝土，抗拉強度標準值為2.74 MPa，在強度未達到100%時，抗拉強度尚低于此值，頂板底面在900 h左右靠近主塔橫梁處兩個觀測點的應力均大于抗拉強度標準值，最大值達到3.69 MPa，混凝土表面將會因為拉應力過大出現開裂。

3 結論及預防措施

本文結合實際工程背景，對斜拉橋混凝土主梁0#塊的開裂進行分析，結論如下：

（1）采用有限元軟件Midas/FEA詳細分析了混凝土主梁0#塊溫度場及應力分布，給出測點的溫度變化情況及應力情況。工況一結果表明，底板和腹板與頂板分開澆筑，頂板底面由于水化熱和收縮應變的共同作用，頂板底面橫向應力大于容許應力，頂板底面因此產生了裂縫，且越接近主塔橫梁位置，因受到的約束越剛，產生的裂縫越多。工況二結果表明，在條件允許的情況下，箱梁底腹板和頂板同時澆筑，可以避免因不同構件產生的水化熱不同步造成的構件間熱脹冷縮不同步而產生的局部應力，導致構件開裂[3]。

（2）施工時，由于頂板頂面進行曬水等養護，而頂板底面由于操作空間受限，無法進行有效的養護，導致頂板產生的水化熱在頂板底面不能進行良好的散熱對流，導致溫升過大。因此0#塊施工時應制定詳細的施工組織計劃，嚴格控制施工工期，對齡期差別較大的結構，應優化混凝土的水灰比，加強早期養護[4]。

（3）由于實體模型中沒有設置鋼筋，對于有限元仿真模擬的結果，與實際頂板底面開裂的分布存在一定的差別，而實際工程中鋼筋會起到導熱的作用，而且對混凝土的溫度變形有一定的阻礙作用，因此分析結果會有一定誤差[5]。

（4）對于實體模型進行了簡化，可能導致與實際情況的偏差。混凝土的溫度應力與其彈性模量是成正比的，而在水化硬化期間，由于水化熱導致的溫度場變化隨著齡期同步發展，所以模擬計算結果會有一定偏差。

（5）張拉橫向預應力后，由于水化熱和收縮應變產生的裂縫閉合，不影響斜拉橋后期的使用和耐久性。