新老橋墩混凝土防收縮開裂措施數(shù)值模擬與試驗研究

謝益平， 李德旺， 朱毅卿， 張文學

(1. 中鐵十二局集團第七工程有限公司，湖南 長沙 410004；2. 北京工業(yè)大學城市建設學部，北京 100124)

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，為滿足實際的需要，進行了一系列橋梁的改擴建工程。在實際工程中，在既有橋墩的承載力滿足要求的前提下可進行再利用，在既有橋墩的基礎上新澆筑橋墩。然而，既有橋墩澆筑完成都在1 a以上，此時澆筑的新橋墩混凝土和已澆筑完成的老橋墩混凝土之間形成新老混凝土結(jié)構(gòu)，防護措施不足常導致新老混凝土開裂現(xiàn)象。裂縫的發(fā)展對結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生不利影響，從而降低其使用壽命。

相關(guān)學者對新老混凝土結(jié)構(gòu)進行研究，張菊輝、季佳鳳、沙建芳等[1-3]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(jié)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粘結(jié)強度的有效處理方式。聶建國[4]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(shù)共同確定。張潤德等[5]研究表明采用分段澆筑施工可以在降低溫度拉應力的同時釋放混凝土部分收縮。張文學等[6]研究了二次振搗下混凝土的收縮情況，結(jié)果表明：可以降低混凝土3 d齡期收縮量的30%以上并提高混凝土抗壓強度。Rui Rao等[7]的研究也表明二次振搗有助于填充部分空隙和裂縫，進而提高混凝土的機械強度。目前對于新老混凝土結(jié)構(gòu)的防開裂研究較少且大多關(guān)注對新老混凝土界面收縮狀態(tài)進行研究；對于實際工程中新老混凝土結(jié)構(gòu)早期開裂改善措施的運用及效果研究也較少。

本文從新老混凝土收縮不同步角度出發(fā)，以南沙港公鐵兩用橋為工程背景，利用ANSYS有限元軟件建立新老橋墩的混凝土結(jié)構(gòu)模型，并在ANSYS模擬量化分析的基礎上依托實際工程進行現(xiàn)場試驗，對采取老混凝土提前灑水潤濕和新混凝土二次振搗的新澆筑橋墩混凝土的收縮應變數(shù)據(jù)進行整理和分析，對實際施工過程有重要指導意義。

1 工程概況

南沙港公鐵兩用橋是在既有廣中江高速公路雞鴉水道橋的基礎上改擴建而成。施工時需將原有橋墩頂部切除一部分，在切除后的既有橋墩上重新澆筑一部分橋墩。橋墩切除后如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場主墩切除

南沙港公鐵兩用橋679#墩既有橋墩高度11 m，新澆筑橋墩高度5.6 m。橋墩尺寸如圖2所示。

圖2 橋墩尺寸及測點布置(單位：mm)

2 有限元模型的建立

2.1 建立有限元模型

建立有限元模型時，既有橋墩和新澆筑橋墩均采用8節(jié)點Solid45實體單元進行建模，既有橋墩與新澆筑橋墩接觸面處節(jié)點完全耦合。其中，混凝土線膨脹系數(shù)均為1×10-5/℃，泊松比為0.2，混凝土密度為2 650 kg/m3。

根據(jù)工程實際情況，利用ANSYS有限元軟件建立既有橋墩加新澆筑橋墩實體模型進行模擬分析。為了更好的計算新澆筑混凝土的收縮應力，在網(wǎng)格劃分時，對新混凝土局部進行加密處理。有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

利用混凝土熱脹冷縮的物理性質(zhì)，采用“等效降溫法”模擬混凝土的收縮情況，將其收縮應變等效換算為施加在混凝土上的溫度載荷[8,9]，如公式(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為混凝土收縮時刻的對應齡期；α為混凝土線膨脹系數(shù)；ΔT為換算的當量溫差。

2.2 材料參數(shù)模型

(1)彈性模量計算模型：本文采用歐洲CEB-FIP90[10]模式規(guī)范建議的公式對新澆筑混凝土的彈性模量進行計算，如公式(2)所示：

(2)

式中：Ec,28為28 d混凝土的彈性模量，封鉸混凝土與上下轉(zhuǎn)盤混凝土等級均為C50，Ec,28取3.45×104MPa；s取決于水泥品種，普通硅酸鹽水泥取0.25。

(2)混凝土收縮計算模型：常用的混凝土收縮應變預測模型規(guī)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[11]。因此，本文在《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTG 3362-2018)收縮應變預測模型的基礎上提出了可考慮混凝土早期收縮應變的預測模型，并且引入二次振搗修正系數(shù)對收縮情況進行研究分析，擬合曲線方程通式見式(3)和式(4)[6]：

(3)

K=1-0.05t′

(4)

3 數(shù)值模擬分析

當澆筑新混凝土時，對老混凝土提前灑水潤濕，老混凝土會膨脹后進行二次收縮，從而降低老混凝土的約束作用，減少新澆筑混凝土的早期收縮應力；二次振搗可有效降低新澆混凝土收縮應變。因此在實際工程中采取對老混凝土提前灑水潤濕、新澆筑混凝土二次振搗的措施。老混凝土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較小[12]。本文膨脹后二次收縮速率取為1/3、以潤濕6 h為例進行定量分析，通過升溫法實現(xiàn)混凝土膨脹。

為了更直觀的看出新澆筑橋墩振搗方式及既有橋墩潤濕情況對新澆筑橋墩收縮應力的影響，運用ANSYS有限元軟件進行模擬，并與新澆筑橋墩一次振搗、既有橋墩不進行灑水潤濕情況下的收縮應力進行對比，如圖4所示。

從圖4可以看出采取對既有橋墩進行灑水潤濕、對新澆筑混凝土進行二次振搗的方式可以明顯減少新澆筑橋墩的收縮應力，這將極大改善新澆筑橋墩混凝土早期開裂的問題。

圖4 不同條件下的應力對比

4 現(xiàn)場試驗分析

4.1 試驗目的

為進一步探究該措施在實際工程中的效果，以南沙港鐵路雞鴉水道公鐵兩用橋改擴建工程為依托，對既有橋墩基礎上新澆筑橋墩混凝土的收縮應變進行了現(xiàn)場實測。

679#墩是利用原公路橋墩改造而成，既有橋墩混凝土已澆筑完成1 a以上，新老混凝土接頭處會出現(xiàn)開裂問題。在既有橋墩和新澆筑混凝土接觸面及接觸面以上新澆筑混凝土位置處埋設傳感器，測量新澆筑混凝土的收縮應變，觀察各測點之間的收縮應變關(guān)系。

4.2 試驗測點布置

首先在新老混凝土接觸面位置處設置4個傳感器測點，記為測點1-1、2-1、3-1、4-1，其他測點依次布置在距離1-1、2-1、3-1、4-1測點從下至上5 cm、25 cm、45 cm、65 cm處，測點布置如圖2所示。

4.3 試驗過程

在新橋墩澆筑前對老混凝土進行灑水潤濕，使其充分膨脹。根據(jù)橋墩結(jié)構(gòu)選定測試點，進行傳感器的安裝與使用。南沙港項目所用傳感器是長沙金碼高科技實業(yè)有限公司型號為CMJX-215型埋入式混凝土應變計，適用于各種混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應變測量。

傳感器的安裝根據(jù)測點布置進行，采用細匝絲將應變計捆綁在結(jié)構(gòu)鋼筋上，避開混凝土和搗振棒能直接沖擊到的鋼筋面，綁扎不宜過緊。現(xiàn)場的綁扎情況如圖5所示。

圖5 傳感器綁扎

傳感器綁扎完成后開始澆筑混凝土，澆筑前確保埋設好的傳感器及測試儀器能正常使用。混凝土澆筑振搗完成后，根據(jù)初凝情況進行二次振搗，振搗時應避免直接觸碰儀器。

混凝土澆筑振搗完成后根據(jù)現(xiàn)場施工情況，測試了混凝土澆筑后18 d齡期的收縮應變。根據(jù)現(xiàn)場混凝土澆筑情況，一天測試一次或者兩次數(shù)據(jù)，上午或者下午進行測試。測試完傳感器后，做好數(shù)據(jù)記錄，主要包括應變、溫度、頻率，測試完成后對數(shù)據(jù)進行整理。

4.4 試驗數(shù)據(jù)處理及分析

(1)根據(jù)應變計使用方法對試驗數(shù)據(jù)進行溫度修正，經(jīng)過修正后得到4組測點的收縮應變曲線如圖6所示。

從圖6可以看出：4組測點收縮應變趨勢基本保持一致，4組測點的收縮應變均表現(xiàn)為隨著齡期增長逐漸增加；4組測點不同位置處的收縮應變大小關(guān)系均滿足：n-4>n-3>n-2>n-1，說明既有橋墩對新澆筑混凝土橋墩的收縮具有約束作用。距離新老混凝土接觸面處越近，新澆筑混凝土的收縮應變最小；距離新老混凝土接觸面越遠，混凝土收縮應變越大。

圖6 不同測點應變

(2)在老混凝土灑水潤濕、新澆筑混凝土二次振搗情況下，將各測點現(xiàn)場實測收縮應變與ANSYS數(shù)值模擬結(jié)果進行對比，如圖7所示。

圖7 測點4-i實測值與模擬值對比

從圖7各測點實測收縮應變與模擬應變對比可以看出：各測點收縮應變與ANSYS模擬結(jié)果大致吻合，誤差在可接受范圍內(nèi)；并且數(shù)值模擬的收縮應變略大于實測值，這是由于在模擬時二次振搗和潤濕工況比較理想，而現(xiàn)場施工時與模擬存在一定差距。

公路規(guī)范(JTG 3362-2018)中規(guī)定混凝土的收縮應變范圍為3×10-4～5×10-4，試驗中測得的應變在規(guī)定范圍內(nèi)，實際新澆筑的橋墩混凝土并未出現(xiàn)明顯的早期開裂，較類似工程有很大改善。

5 結(jié)論

(1)既有橋墩對新澆筑橋墩的收縮具有約束作用，距離新老混凝土接觸面處越近，約束作用越大。

(2)針對新老橋墩混凝土收縮開裂問題，可以通過對老混凝土提前灑水潤濕、新澆筑混凝土二次振搗等綜合措施來減少裂縫的產(chǎn)生，進而保證其施工質(zhì)量。