預制箱梁早期溫度裂縫分析

火東存，薛琳婧，何 勇

(陜西鐵路工程職業技術學院，陜西 渭南 714000)

混凝土價格低廉、抗壓強度較高，是橋梁施工的首選材料，但是水泥水化熱量大，而混凝土導熱性能差，從而導致混凝土結構產生內外溫差以及溫度應變[1-3]。因為溫度應變而引發的混凝土箱梁早期溫度裂縫在所難免，嚴重危及橋梁結構安全、困擾工程技術人員，雖然國內外學者就這一問題進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展規律的影響，以期為混凝土箱梁的抗裂提供些許參照。

1 工程概況

某連續梁橋一聯四跨(4×40)，共四聯，每聯橋縱向及橫向截面示意圖如圖1所示。該橋上部橋跨結構采用裝配式混凝土箱梁，先簡支后連續；下部基礎工程采用預制樁基礎。

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制過程中的影響。模型采用 solid45 體單元。由于結構的對稱性，取四分之一結構進行建模，共劃分 96 354個單元，20 767 個節點，可保證計算精度。

2.1 相關參數的設置

1)彈性模量

根據現場溫度場試驗數據可知，箱梁澆筑后前36 h溫度急速上升，隨后逐漸下降，取溫度下降時相應時間的彈性模量，以回歸方程求出對應彈性模量[6-7]。

2)密度

構件砼標號為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

砼、鋼筋的線膨脹系數分別按照0.000 010/℃、0.000 012/℃進行設定，其他參數根據工程實際設定。

2.2 初始條件和邊界條件

箱梁內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箱梁溫度應力的分析。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溫度應力的分布規律。

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，塑形應變占主要部分，壓應力不大；而溫度達到最大值后開始下降，彈性模量升到穩定的極大值點，應變較大。因此箱梁在溫升階段的溫度應力可以忽略不計，重點分析研究降溫階段的溫度應力。本文分別取箱梁的內外溫差為10、20、30 ℃時的溫度荷載作為結構荷載施加于箱梁模型中，其中溫差為10 ℃時對應齡期和彈性模量設定為70 h、19.05 GPa，溫差為20 ℃時對應齡期和彈性模量設定為48 h、15.43 GPa，溫差為30 ℃時對應齡期和彈性模量設定為38 h、13.2 GPa，以此模擬分析箱梁在各個情況下的溫度應力分布。

3 結果分析

3.1 應力分析

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力，研究箱梁縱向的應力變化趨勢。中梁及邊梁主應力沿縱向的變化曲線，如圖2、圖3所示。

圖2 中梁主應力變化曲線

圖3 邊梁主應力變化曲線

分析圖2中梁主應力分布曲線可得如下規律：溫差作用下，中箱梁內的應力主要表現為拉應力；當溫差為10 ℃時，應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跨處的應力最大。翼緣板兩端及跨中局部表現為壓應力，其余均表現為拉應力；當溫差為20、30 ℃時，應力分布同10 ℃相似，主要為拉應力；應力隨溫差的增大而逐漸增大，分布范圍也逐漸從構件的端部向跨中延伸，局部產生的較大拉應力會導致裂縫的產生。

分析圖3邊梁主應力分布曲線可得如下規律：溫差作用下，邊梁底板中部應力分布狀態與中梁大致相同；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力有一定影響。

3.2 應變分析

對比分析各溫差下的實測應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 ℃時應變的模擬值與實測值對比 10-4

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

圖4 中梁主應變圖

圖5 邊梁主應變圖

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

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

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

4 結論及建議

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力、應變的分布規律。研究結果表明：各溫差作用下，箱梁內的應力、應變主要表現為拉應力、拉應變，并隨溫差的增大而增大，增大至一定值后會導致裂縫的產生。建議采用適時安排混凝土澆筑時間、加強覆蓋保溫、及時灑水養護、早期張拉工藝等措施來控制混凝土箱梁內外溫差，從而抑制混凝土箱梁早期溫度裂縫的出現。