下穿鐵路橋涵框架混凝土施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的影響研究

中圖分類(lèi)號(hào)：U455.43 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2025）18-0037-04

Abstract：Inthispaper，theinfluenceof thestructureonthetemperaturefieldandstressfieldoftheconcreteduring the constructionofunder-crossingrailwaybridgesandculverts，combinedwithnumericalsimulation，thestructureshowsthatthe concretematerialisadurablematerial，butitisessentiallyanon-uniformporousmaterial.Fordiferentconstruction environments，appropriateconcretematerialsshouldbeselectedtomakebeteruseoftheconcretepropertiesandcontrolthe occurrenceofcracks；whenconsideringstructuralcracks，thegreaterthetemperaturediference，thegreaterthethermalstre. Duringtheconstructionofframeboxculverts，specialatentionshouldbepaidtothecornersandcomerpointsonboth sides alongthehorizontaldirectionontheconcreteflor，whichisthemainpositionofthemaximumtensilestress；whencarryingout stressanalysisonthediagonalframesystem，thetemperaturestressanalysisatdiferentanglesismainlycarredoutby convertingtheobliqueintersectiontotheforwardintersection.Itanbeknownthroughnumericalsimulation，itisconcludedthat thelargerthediagonalangle，thehigherthetemperatureatthecenterofthewall，whichleadstogreatertemperaturetressand lower the crack suppression effect.

Keywords： frame bridge; crack；numerical simulation; concrete; temperature field; stress field

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，土木行業(yè)也在不斷發(fā)展，在施工中常伴有改建或擴(kuò)建等一些工程建筑項(xiàng)目，根據(jù)不同的施工項(xiàng)目，對(duì)不同的施工工藝提出相應(yīng)的要求，即需要在不影響工程設(shè)施上方鐵路或公路正常運(yùn)行的條件下完成施工。

在既有鐵路或者公路等施工過(guò)程中，伴隨著上方車(chē)輛施加運(yùn)行荷載，對(duì)下方施工路基等產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，從而極易引發(fā)下方路基發(fā)生失穩(wěn)，破壞原有結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，路基坍塌，進(jìn)而引發(fā)一系列嚴(yán)重的后果。

現(xiàn)階段，在既有大跨度框架橋涵施工過(guò)程中，D形便梁的施工工藝已無(wú)法滿(mǎn)足相應(yīng)承載力要求。而在強(qiáng)度和剛度方面，不管是橫抬梁等施工工藝都無(wú)法滿(mǎn)足大跨度框架橋的施工工藝。在下穿既有鐵路施工過(guò)程中，既能保證原有建筑不被破壞，同時(shí)能保證現(xiàn)有施工項(xiàng)目的施工質(zhì)量，具有十分重要的工程意義。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程中，有關(guān)裂縫等方面的研究一直是廣大學(xué)者研究的課題，隨著新工藝、新技術(shù)的出現(xiàn)，這項(xiàng)課題一直在修改和完善。

在橋涵工程施工過(guò)程中，橋梁墩臺(tái)、框架結(jié)構(gòu)等是施工的主要內(nèi)容，也是結(jié)構(gòu)的主體。混凝土結(jié)構(gòu)自身存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、技術(shù)運(yùn)用多樣等特點(diǎn)，在實(shí)際施工過(guò)程中若沒(méi)有很好地控制好約束條件、水化熱等，很可能導(dǎo)致大體積混凝土內(nèi)部產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂縫，影響橋涵建設(shè)，造成嚴(yán)重的道路交通安全隱患。因此在施工過(guò)程中，對(duì)于施工技術(shù)、管理體系等方面進(jìn)行強(qiáng)化，提升混凝土結(jié)構(gòu)的整體施工質(zhì)量2]。

為了使得施工安全、高效，現(xiàn)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)及理論研究，對(duì)下穿鐵路框架橋混凝土裂縫防治進(jìn)行全面的分析，為澆筑框架混凝土橋涵梁施工提供依據(jù)。

1結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的影響

1.1 混凝土的影響

混凝土是由外加劑以及石子、水泥、沙子等組成的多復(fù)合材料。因結(jié)構(gòu)材料組成復(fù)雜且多樣化，其內(nèi)部自身存在微小裂縫，因此內(nèi)部結(jié)構(gòu)的多樣性和復(fù)雜性決定了其力學(xué)性能在一定程度上的離散性。混凝土結(jié)構(gòu)中本來(lái)存在微小裂縫，但其本質(zhì)不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損害，若受到外荷載或者溫度的影響，自身裂縫不斷延伸并連通，最后就會(huì)形成常見(jiàn)的“裂縫”，而規(guī)范中常說(shuō)的就是此類(lèi)裂縫[4-5]。雖然混凝土材料是一種耐久性材料，但本質(zhì)上是一種非均勻的多孔材料，在二氧化碳、水、氯離子和硫酸鹽等介質(zhì)的侵蝕作用下，不可避免受到外來(lái)因素的影響而腐蝕，裂縫擴(kuò)展，混凝土?xí)铀倨茐模褂脡勖蟠罂s短。而針對(duì)不同的施工環(huán)境，應(yīng)選擇合適的混凝土，注重混凝土整體質(zhì)量，才能更好地利用混凝土性能，控制裂縫產(chǎn)生。

1.2結(jié)構(gòu)受力對(duì)混凝土溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的影響

關(guān)于結(jié)構(gòu)型裂縫，其主要是由受力引起的，具體來(lái)說(shuō)就是各種結(jié)構(gòu)在主要荷載的作用下，抗拉及抗震強(qiáng)度不足；但混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件在設(shè)計(jì)荷載（受彎、受拉荷載）作用下，其受拉區(qū)出現(xiàn)裂縫很難避免，因?yàn)榛炷量估芰μ酰蛔阋苑乐沽芽p發(fā)生。通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行分析如圖1所示。

底板在后 40h 左右內(nèi)外出現(xiàn)最大溫差，在產(chǎn)生最大溫差時(shí)計(jì)算應(yīng)力，由主應(yīng)力云圖可以看出，在底板橫向拐角處出現(xiàn)最大主應(yīng)力，最大主應(yīng)力在 1.7MPa 左右，從主應(yīng)力云圖中同時(shí)可以看到，在底板產(chǎn)生最大溫差時(shí)，主應(yīng)力在板內(nèi)部為主壓應(yīng)力，底板最下邊也為主壓應(yīng)力，但在底板上表層及側(cè)邊出現(xiàn)主拉應(yīng)力，主拉應(yīng)力分布在表層，由內(nèi)向外逐漸變大，在最外層主拉應(yīng)力達(dá)到最大。沿著板厚方向定義路徑查看沿著路徑方向的主應(yīng)力變化，在底板后 40h ，取底板中部，右側(cè)及拐角處查看沿著不同方向的主應(yīng)力變化。

如圖2一圖5所示，在底板中間距離地面高 0.42m 的位置開(kāi)始出現(xiàn)主應(yīng)力，并在 0.42～0.7m 處主應(yīng)力隨著離表層的距離減小而增大，在最表層處達(dá)到最大主應(yīng)力 1.435MPa ，在底板右側(cè)，在距離地面高 0.44m 的位置開(kāi)始出現(xiàn)主應(yīng)力，同樣在 0.44～0.7m 處主應(yīng)力隨著離表層的距離減小而增大，但在表層處達(dá)到最大主應(yīng)力 1.627MPa ，表層最大主應(yīng)力由于存在拐角，比中間部位要大，在底板右腳處，水平方向在距離側(cè)邊0.4m 位置處開(kāi)始出現(xiàn)主應(yīng)力，底板側(cè)邊表面最大主應(yīng)力為 1.357MPa ，由底板右側(cè)傾斜方向應(yīng)力沿路徑變化曲線可以看出，主應(yīng)力從內(nèi)部到底板右下角角點(diǎn)處逐漸增大，沿著 45^° 傾斜方向內(nèi)部距離底板右下角角點(diǎn) 0.6m 處就開(kāi)始有主應(yīng)力，并在右下角角點(diǎn)處最大主應(yīng)力達(dá)到 1.617MPa ，因此，由上述結(jié)果可以得出，在混凝土底板上尤其要注意沿橫向的拐角處及兩側(cè)角點(diǎn)位置為主拉力最大位置，

綜合考慮計(jì)算結(jié)果，結(jié)合計(jì)算誤差和加載過(guò)大等引起的各種裂縫，同比考慮混凝土材料和配合比在施工中的不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)龋瑢?dǎo)致各類(lèi)裂縫性質(zhì)不相同，裂縫成因也是各有差異。

1.3斜交角度對(duì)混凝土溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的影響

對(duì)于斜交框架體系的受力分析，現(xiàn)行的計(jì)算理論主要有斜交轉(zhuǎn)正交計(jì)算理論和斜交計(jì)算理論2種方式。所謂的斜交轉(zhuǎn)正交計(jì)算理論就是將斜交框架箱涵按結(jié)構(gòu)尺寸換算成正交框架箱涵，在同樣的受力條件下計(jì)算結(jié)構(gòu)的彎矩和變形情況[6-8]。近些年各大設(shè)計(jì)院普遍采用斜交轉(zhuǎn)正交理論來(lái)計(jì)算斜交角度的框架箱涵。斜交計(jì)算理論就是直接以斜交的方式，通過(guò)空間計(jì)算結(jié)構(gòu)的彎矩和扭矩，再以主方向上的彎矩和扭矩進(jìn)行設(shè)計(jì)配筋。在此采用ANSYS分析斜交角度對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制的影響。

分析不同斜交角對(duì)框架橋涵結(jié)構(gòu)的影響，圖6和圖7為斜交角度分別為 60^° 與 45^° 時(shí)，混凝土箱涵的溫度場(chǎng)云圖，在靠近端口處與離端口1/4處橫截面的溫度云圖。由圖8和圖9可以看出，斜交角度越大，墻體中心處的溫度就越高，其與外表面的溫差也就越大，因此溫度應(yīng)力也就越大，不利于裂縫的控制。因此，框架橋橋涵越接近正交，越應(yīng)該重視混凝土前期的養(yǎng)護(hù)，避免溫差過(guò)大，導(dǎo)致開(kāi)裂。

結(jié)合圖7一圖9可知，混凝土達(dá)到一定拉應(yīng)力時(shí)，及時(shí)張拉板中的部分預(yù)應(yīng)力筋，以確保混凝土在施工階段不出現(xiàn)溫度裂縫。結(jié)合實(shí)際情況，若在頂部橫向之間布置縱向預(yù)應(yīng)力筋，導(dǎo)致四角裂縫產(chǎn)生并衍生發(fā)展，因此頂板中間不能布置縱向預(yù)應(yīng)力筋。但是在頂板靠近墻面除布置預(yù)應(yīng)力筋反而能達(dá)到抑制斜裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。在實(shí)際施工過(guò)程中，若能考慮到對(duì)內(nèi)側(cè)墻體提前施加縱向應(yīng)力，使得應(yīng)力對(duì)內(nèi)部墻體產(chǎn)生較大的壓縮變形，同步減輕內(nèi)墻對(duì)頂板的相應(yīng)約束，裂縫則較少產(chǎn)生。當(dāng)給頂板的中廳板布置預(yù)應(yīng)力筋后，板和墻體的交接處會(huì)產(chǎn)生剪力并進(jìn)行傳遞，而剪力存在峰值，對(duì)抑制裂縫效果方面極其不合理，因此給相應(yīng)頂板和中板不宜布置較多預(yù)應(yīng)力筋。

1.4配筋對(duì)抑制裂縫影響

因?yàn)榕浣顚?duì)框架橋涵的裂縫也至關(guān)重要，現(xiàn)通過(guò)配筋率及預(yù)應(yīng)力筋2方面來(lái)分析配筋對(duì)裂縫的影響，再通過(guò)數(shù)值計(jì)算，分析框架橋涵的配筋特點(diǎn)。

配筋率是鋼筋混凝土構(gòu)件中縱向受力（拉或壓）鋼筋的面積與構(gòu)件的有效面積之比。在橋梁工程中，一般指的是面積配筋率，即受拉鋼筋面積與主梁面積之比。只有保證鋼筋混凝土橋涵配筋率符合要求，才能避免工程出現(xiàn)超筋梁或少筋梁的現(xiàn)象，減少結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，保證安全質(zhì)量，保證技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

1.4.1 框架橋涵配筋計(jì)算原則

框架橋涵各桿件均按鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

頂?shù)装鍡U件按雙筋矩形截面受彎構(gòu)件進(jìn)行配筋計(jì)算，不考慮軸向力影響。邊中墻桿件按偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行配筋計(jì)算。

鋼筋彈性模量與混凝土變形模量之比值 n：Hlt;1.0m n=15m;H?1.0m，n=10m

1.4.2 斜交橋涵鈍角處的配筋

如圖10所示，隨著斜交角度 θ 的增大，當(dāng)垂直角度和跨度保持不變時(shí)，鈍角處的縱向彎矩在整體截面中呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)7]。

如圖11所示，為保證結(jié)構(gòu)整體可靠性和耐勞性，斜交角度越大，所用的抗拒含量值越高。

根據(jù)以上對(duì)比結(jié)果，結(jié)合工程實(shí)際，根據(jù)斜交理論，合理配置鋼筋，以達(dá)到應(yīng)力要求；隨著斜交角度增大，在鈍角處若配置鋼筋增加，應(yīng)按照斜交轉(zhuǎn)正計(jì)算

相應(yīng)內(nèi)力，則可達(dá)到施工過(guò)程中混凝土的耐久性和可靠性。

2 結(jié)論

1）按照混凝土材料自身特點(diǎn)，對(duì)于不同的施工項(xiàng)目，根據(jù)其施工類(lèi)型、地域、施工的環(huán)境等，選擇適合的混凝土進(jìn)行施工；在施工過(guò)程中，注重混凝土的整體質(zhì)量，控制施工流程，利用好混凝土自身的性能達(dá)到控制裂縫的效果。

2）根據(jù)以上數(shù)據(jù)可知： ① 混凝土施工過(guò)程中當(dāng)溫差越大，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的溫度應(yīng)力也越大，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)型裂縫也越大； ② 框架箱梁施工中，距離底板不同位置處出現(xiàn)不同程度拉應(yīng)力，但最大主應(yīng)力出現(xiàn)的位置為混凝土底板上的拐角處和兩側(cè)角點(diǎn)。

3）通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)論可知：在斜交框架體系中，斜交角度越大，混凝土內(nèi)部溫度越高，從而溫度應(yīng)力越大，抑制裂縫效果越低，所以在施工過(guò)程中應(yīng)該合理規(guī)劃斜交角度，達(dá)到最佳抑制裂縫效果；若在施工中存在斜交角度較大的情形，且角度為鈍角時(shí)，應(yīng)在鈍角處增加配筋率。

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