連續梁橋合龍段混凝土縱向裂縫成因分析及改善措施

張萬朋，劉 文，張文學，吳淑康

(1.北京工業大學 建筑工程學院,北京 100124；2.中建交通建設集團有限公司,北京 100142)

0 引言

現代混凝土連續梁橋及斜拉橋普遍采用分段現澆施工工藝，隨著高強混凝土的應用越來越廣泛，橋梁的建設并投入使用后其病害問題也日益突出，常見的病害包括混凝土碳化、鋼筋銹蝕、不均勻沉降、非結構裂縫等，而合龍段交界處開裂問題時常出現。合龍段作為橋梁的重要組成部分，其頂板開裂將影響行車的舒適，裂縫的發展會對結構的正常使用和耐久性產生不利的影響，影響橋梁的使用壽命[1-4]。

相關學者對新老混凝土結構進行研究，張菊輝、季佳鳳、姜海波、沙建芳等對新老混凝土的界面性能進行了研究，研究表明：新混凝土強度對新老混凝土界面的黏結性能的影響有限，人工鑿毛、高壓水射、露骨劑等是提高新老混凝土黏結強度的有效處理方式[5-8]。聶建國通過對加寬混凝土舊橋的研究，表明了新老混凝土界面的極限抗剪強度由混凝土強度，界面粗糙程度和摩擦系數共同確定[9]。針對合龍段開裂的問題，國內一些學者開展了研究。李浩等[10]針對現澆預應力混凝土箱梁后澆濕接縫的開裂問題，采用Midas/FEA分析了在混凝土收縮作用下的應力場，并對不同的預應力張拉方案進行了分析，結果表明，在混凝土澆注后第3 d時需進行預應力的張拉以降低混凝土拉應力。許大晴等[11]以某矮塔斜拉橋為背景，分析了混凝土齡期差對結合面受力性能的影響，并指出因混凝土收縮產生的橫向拉應力較大不可忽視。然而目前對于合龍段開裂的研究大都只分析混凝土本身的收縮效應，而考慮合龍段與相鄰節段混凝土之間的相互作用，從新老混凝土收縮不同步角度出發對合龍段影響以及改進措施的研究較少。因此，本研究以某連續梁橋合龍段為工程背景，利用ANSYS有限元軟件建立合龍段加相鄰節段新老混凝土結構模型，分析在合龍段與相鄰節段混凝土不均勻收縮情況下合龍段頂板的應力狀態并提出了改進措施，對實際施工過程有重要指導意義。

1 依托工程及建模

1.1 依托工程概況

以某混凝土連續梁橋合龍段為工程背景展開研究。該工程在合龍段混凝土澆注完成一段時間后發現合龍段頂板處出現橫橋向裂縫，其中合龍段與相鄰節段交界處裂縫尤為突出。該類裂縫的產生是由于合龍段混凝土與相鄰節段混凝土之間存在齡期差導致的不均勻收縮，在新澆注的合龍段頂板處產生的非結構裂縫，這將影響橋面板之后的正常工作，影響結構的耐久度。在該工程合龍段與相鄰節段的新老混凝土結構中，合龍段長度為3.14 m，主梁采用W形腹板截面，頂板寬39.7 m，底板寬18 m，中心處箱梁高3.5 m，頂板厚30 cm，底板厚35 cm，外側斜腹板厚40 cm，內側斜腹板厚30 cm，箱梁截面如圖1所示。

圖1 箱梁截面 (單位：cm)

1.2 有限元模型建立

根據工程實際情況，利用ANSYS有限元軟件建立合龍段與相鄰節段實體有限元模型，進行收縮模擬分析。混凝土結構均采用8節點SOLID45實體單元進行建模，合龍段新老混凝土接觸面處節點完全耦合；預應力鋼筋選用LINK8單元模擬，采用節點耦合法連接混凝土結構， 并采用初應變法模擬預應力荷載。為了更好地研究新澆注混凝土的收縮應力，在網格劃分時對合龍段作局部加密處理。混凝土溫度線膨脹系數α=1.0×10-5/℃，泊松比為γ=0.2，混凝土相對密度ρ=2 450 kg/m3，有限元模型如圖2所示。

圖2 合龍段與相鄰節段有限元模型

利用混凝土熱脹冷縮的物理性質，采用“等效降溫法”模擬混凝土的收縮[12-14]。將其收縮應變等效換算為施加在混凝土上的溫度載荷，如式(1)所示：

εsh(t,ts)=α·ΔT,

(1)

式中,εsh(t,ts)為t時刻混凝土收縮應變;ts為收縮開始時混凝土齡期；α為混凝土的線膨脹系數；ΔT為換算得到的當量溫差。

1.3 材料參數模型

(1)彈性模量計算模型：混凝土彈性模量作為評價混凝土結構、構件變形特征的重要力學參數，其量值隨水化作用的進行而逐漸增長，最終趨于定值。對于新澆注混凝土彈性模量的計算，本研究采用歐洲CEB—FIP90[15]模式規范建議的式(2)：

(2)

式中，Ec,28為齡期為28 d混凝土的彈性模量；S取決于水泥品種，普通硅酸鹽水泥取0.25。合龍段與相鄰節段有限元模型中混凝土等級均為C55，其Ec,28取3.55×104MPa。

(2)混凝土收縮計算模型：由于常用的混凝土收縮應變預測模型規定混凝土收縮開始齡期為3～7 d，而混凝土收縮絕大部分是在早期完成的[16]。因此，常用的混凝土收縮應變模型不能用來預測混凝土的早期收縮應變。本研究采用在《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362—2018)[17]收縮應變預測模型的基礎上提出的可考慮混凝土早期收縮應變的預測模型[18]。

ε(t)=εsh,∞·S(t)，

(3)

(4)

式中，ε(t)為計算齡期t時混凝土的收縮應變值，無量綱；t為混凝土收縮齡期；εsh,∞為按公路鋼筋混凝土及預橋涵設計規范《應力混凝土》(JTG 3362—2018)計算得到的混凝土收縮終值；S(t)為混凝土收縮應變隨時間變化函數。混凝土收縮應變曲線如圖3所示。

圖3 混凝土收縮應變曲線

2 合龍段混凝土縱向開裂成因及影響因素分析

2.1 縱向開裂成因分析

根據實際工程，由于橋梁合龍段與相鄰節段混凝土存在一定齡期差，若合龍段與相鄰節段澆注間隔的齡期差較長，則會產生新老混凝土結合部位收縮不同步問題。合龍口兩側混凝土齡期差的存在會使新澆注混凝土的收縮受到兩側老混凝土的約束，在新澆注混凝土內部產生拉應力，進而引起合龍段混凝土縱向開裂。以實際齡期差60 d為例，分析得合龍段新澆注混凝土的收縮應力云圖如圖4所示；混凝土有無齡期差時的收縮應變曲線如圖5所示。由圖4和圖5可知：

圖4 新澆注合龍口收縮應力云圖

圖5 不同條件下接觸面混凝土收縮應變

(1)新澆注合龍口與相鄰節段混凝土在齡期差60 d與不存在齡期差的情況下相比，早期收縮應力明顯較大。

(2)在老混凝土的約束作用下，新澆注混凝土處于受拉狀態；齡期差60 d時合龍口混凝土的早期收縮應力基本由新老混凝土收縮效應所引起，其中對接觸面收縮應力的影響更為顯著。

(3)混凝土自由收縮與受約束收縮應變的差值在齡期9 d后大于規范規定C55混凝土的極限拉應變112 εμ ，這是實際工程發生縱向開裂的重要原因。

2.2 新老混凝土齡期差影響

由于合龍段混凝土澆注之前，相鄰節段的混凝土已經澆注完成，這樣合龍段與相鄰節段混凝土存在齡期差，形成新老混凝土結構。實際工程中齡期差不可避免，為研究不同齡期差對合龍段新澆注混凝土頂板收縮應力的影響，在齡期差為7，14，30和60 d的情況下，提取合龍段頂板跨中的數據對新澆注混凝土14 d齡期的收縮應力進行分析，收縮應力如圖6～7所示。由圖6和圖7可知：

圖6 不同齡期差x向收縮應力

圖7 混凝土早期最大收縮應力

(1)隨著相鄰節段與合龍段混凝土的齡期差增大，合龍段早期收縮應力也隨之增大。

(2)30 d齡期差內的收縮應力變化明顯，相比7 d齡期差增加43.15%；60 d齡期差下的收縮應力相比30 d齡期差僅增加3.68%。

(3)在齡期差較大時增加，收縮應力的增加不明顯；這是由于隨著齡期差的增大，相鄰節段混凝土收縮趨于穩定。

(4)工程中齡期差不可避免的情況下可以認為齡期差≤7 d可以認為是連續澆注，對混凝土收縮影響較好。

2.3 結構尺寸影響

為分析箱梁橫向寬度對其早期收縮應力影響，以合龍段與相鄰節段的齡期差14 d為例，分別取箱梁寬度10，20，30，40和50 m，在ANSYS中提取合龍段頂板跨中的數據對新澆注混凝土的收縮應力進行定量分析。圖8和圖9為不同箱梁寬度情況下的合龍段混凝土頂板跨中14 d齡期的早期收縮應力曲線。由圖8和圖9可知：

圖8 不同箱梁寬度下的x向收縮應力

圖9 不同箱梁寬度下的x向最大收縮應力

(1)箱梁橫向寬度對其早期收縮應力有較大影響；隨著箱梁寬度的增加，新澆注合龍段的早期最大收縮應力也隨之增加。

(2)在箱梁寬度小于30 m時，寬度對其早期收縮應力的影響變化明顯；20 m，30 m的最大收縮應力相比10 m時增加33.6%～48.2%。

(3)在箱梁寬度大于30 m時，收縮應力的增加隨寬度的增加不明顯；40 m，50 m的最大收縮應力相比30 m時僅增加4.8%～7.9%。

3 縱向開裂改善措施

合龍段混凝土的縱向開裂受齡期差和箱梁寬度因素影響，在實際工程中這些因素不可避免。在此基礎上為更好地改善合龍段混凝土的縱向開裂問題，提出采用延遲張拉合龍口兩側梁端橫向預應力和相鄰節段混凝土灑水潤濕的措施。

3.1 預留不同數量預應力筋延遲張拉情況下的收縮應力模擬

在預應力混凝土連續梁橋施工過程中，一般按順序依次完成各節段的混凝土澆注，并進行縱、橫向預應力張拉。在合龍段混凝土澆注前，各懸臂節段的橫向預應力均已張拉完畢；最后澆注合龍段并張拉橫向預應力筋。結合這一施工過程分析可知，由于合龍段澆注前相鄰節段的橫向預應力筋已經全部張拉完畢，使得合龍段混凝土收縮時受到兩側混凝土的約束作用變大，產生較大的收縮應力。

為提高合龍段混凝土的早期抗裂的效果，減少新澆注混凝土早期收縮應力，考慮調整已澆注梁段橫向預應力張拉順序，來減少合龍段的早期收縮應力。具體方法是預留合龍段附近已澆注梁段一定長度內的橫向預應力不進行張拉，等合龍段混凝土澆注后大概2 d再張拉。

按照工程實際情況，建立相鄰節段混凝土澆注完成60 d后，再澆注合龍段混凝土的新老混凝土收縮有限元模型。合龍段兩側各預留橫向預應力筋的數量分別取1束、2束、4束、6束(1個合龍段長度) 、12束(2個合龍段長度)、 18束(3個合龍段長度) 和24束(4個合龍段長度) ，在ANSYS中進行定量分析。圖10為兩側預留不同數量預應力束延遲張拉對合龍段新澆注混凝土的收縮應力影響曲線。由圖10可知：

圖10 預留不同數量預應力筋延遲張拉情況下的收縮應力對比

(1)預留橫向預應力筋延遲張拉對減少新澆注混凝土的早期收縮應力有明顯作用；隨著預留預應力筋數量的增加，新澆注合龍段頂板跨中處的早期收縮應力明顯減小。

(2)合龍段兩側預留的預應力筋數量從1束到18束(3個合龍段長度)時，新澆注混凝土的收縮應力下降比較明顯，減少9.4%～30.4%。

(3)當預留的預應力筋數量大于18束(3個合龍段長度)時，新澆注混凝土的收縮應力改善不明顯。

(4)在合龍段兩側預留2～3個合龍段長度的預應力筋進行延遲張拉，對其早期橫向收縮應力有明顯改善作用。

3.2 相鄰節段灑水潤濕情況下收縮應力模擬

為進行灑水潤濕后的合龍段收縮應力有限元模擬。通過混凝土潤濕膨脹試驗，對收縮完成后的混凝土試件烘干后進行浸泡潤濕至不發生變化，接著在自然狀態下陰干，得到圖11所示的試件浸泡時間與膨脹率關系曲線。由圖11可知，潤濕膨脹曲線為：

圖11 浸泡時間與膨脹率關系

Pz(t)=2.002 8×t×10-5，

(5)

式中，pz(t)為浸泡時間t時的混凝土膨脹應變值，無量綱；t為浸泡時間。

在合龍段混凝土澆注前，對相鄰節段進行灑水潤濕，這不僅有利于混凝土澆注后的緊密黏結，還能使相鄰節段膨脹后進行二次收縮來改善新澆注混凝土的收縮應力。因此，按照工程實際情況，建立相鄰節段混凝土澆注完成60 d后，再澆注合龍段混凝土的新老混凝土收縮有限元模型。研究在兩側預留3個合龍段長度預應力筋延遲張拉的情況下，再對相鄰節段混凝土潤濕不同時長，合龍段新澆注混凝土的收縮應力狀況。由于混凝土在灑水濕潤之前收縮主要包括自身收縮和干縮，在齡期60 d后收縮基本穩定，灑水膨脹后的二次收縮只包括干燥收縮，因此膨脹后二次收縮速率要比灑水濕潤前的早期收縮率要小[19]。本研究取膨脹后二次收縮速率為1/3，以潤濕12，24和36 h為例進行定量分析，通過升溫法實現混凝土膨脹。圖12為不同潤濕時間對新澆注混凝土早期收縮應力的影響曲線。由圖12可知：

圖12 潤濕時間不同情況下的收縮應力對比

(1)在合龍段兩側預留3個合龍段長度的預應力筋延遲張拉基礎上，相鄰節段混凝土進行灑水潤濕對新澆注混凝土的收縮應力有較大影響。

(2)隨著潤濕時間的增加，新澆注合龍段頂板跨中處的早期收縮應力明顯減小。在不同潤濕時間12，24和36 h的條件下，新澆注混凝土收縮應力減少15.3%～45.7%。

(3)在合龍段澆注前對相鄰節段進行灑水潤濕，將對新澆注混凝土的早期橫向收縮應力有明顯改善作用。

4 結論

通過對橋梁合龍段新老混凝土接頭部位收縮應力模擬，得出如下主要結論：

(1)老混凝土對新澆注混凝土收縮的約束作用使新澆注合龍段接頭部位產生拉應力，如果不能很好地加以控制將對結構的安全性和耐久性造成不利影響。

(2)新澆注合龍段內部的收縮應力會隨新老混凝土齡期差和箱梁寬度的增大而增大，最后趨于穩定。當箱梁寬度已定，在滿足實際施工要求的前提下，應盡量縮短澆注齡期差，將新老混凝土齡期差控制在7 d以內。

(3)保留合龍段兩側L=min{0.5B，2l}范圍內 (B為橋面寬度，l合龍段長度)的箱梁橫向預應力束暫不張拉，待合龍段澆注完第2 d在進行張拉，可有效減少合龍段新澆注混凝土的早期收縮應力。

(4)合龍段澆注前1 d，對合龍口兩側3l范圍內梁體進行提前灑水潤濕使其預先膨脹，合龍段混凝土澆注后合龍段兩側混凝土結構陰干收縮可有效降低既有混凝土對新澆注混凝土收縮的約束，降低新澆注混凝土收縮應力。

(5)針對合龍段新老混凝土結合部位收縮開裂問題，可以通過縮短齡期差、延遲張拉老混凝土內的橫向預應力筋、提前對合龍段附近節段進行灑水潤濕等綜合措施來減少裂縫的產生。