高性能混凝土连续刚构桥的早期收缩问题探讨

盛慧雄,袁建伟,杨 俐

(1.长沙理工大学 土木建筑学院,长沙 410076;2.湘潭大学 土木工程与力学学院,湘潭411105)

0 引 言

桥梁的的早期收缩是造成桥梁早期裂缝的一个重要因素,故现在存在很多学者对桥梁的早期收缩问题进行研究.混凝土收缩是混凝土材料本身固有的时变特性,会导致混凝土结构受力与变形随时间的变化而变化[1-3].而桥梁是以混凝土为主要构造材料.

一些学者开始对混凝土的早期收缩进行研究.我国学者巴恒静等为了研究水泥用量、水灰比等混凝土内部因素对混凝土早期收缩的影响,建立了水泥石结构形成与混凝土早期收缩模型[4].还有我国学者王铁梦研究了混凝土的早期收缩与裂缝的关系[5].但是,他们对混凝土早期收缩都只局限于在实验室对试块的早期收缩进行研究,而没有应用到实际工程中.本文将该方法引用到连续刚构桥,初步探讨高性能混凝土早期收缩对混凝土桥梁的影响.

1 当量温差对桥梁首跨的早期收缩

1.1 “早期”的界定

因为混凝土的收缩变形过程是连续的,在时间上并没有明确的界限,故导致我们定义早期收缩的时候,只能凭自己主观的看法.有国外学者,如E.Hot和M.Leivo把混凝土从浇筑开始后的24 h作为早期,这一时期的混凝土处在凝结硬化当中;相应地把混凝土24 h以及以后的龄期称为后期(或长期).此外,还有把混凝土从浇筑到温度变化过程稳定这段时间称为早期.在国内,钱晓倩教授等研究发现,伴随着水泥的水化,混凝土的干燥收缩和自收缩在1 d以内发展最快,3 d以内发展较快,3 d之后趋缓[6-7].

目前桥梁施工以及建筑施工中,人们一般只关注混凝土的最终收缩值,但是导致混凝土早期裂缝产生的因素包括温度、湿度、徐变等.对于普通混凝土来说,干缩占主导;对于高性能混凝土来说,由于一些外加剂加入,自收缩占主导.

1.2 当量温差法计算原理[5]

(1)混凝土收缩值:

式中 ey(t)——各龄期混凝土收缩值;

t——混凝土浇筑后至计算时的天数;

ε′y — —标准状态下最终收缩值 ,ε′y=3.24 ×10-4;

e——常数 ,取 e=2.718;

M1、M2、…Mn——考虑各种非标准条件下的修正系数.

(2)混凝土收缩当量温差:

式中 Ty(t)——混凝土收缩当量温差;

α——混凝土线膨胀系数,α=1.0×10-5

(3)计算温差值:

式中 T′d(t)——混凝土各龄期温差值.

然而,在混凝土收缩的当量温差中 T=T1+T2+T3,其中,由混凝土水化热升温导致当量温差为T1,由大气温度导致的当量温差为 T2,有混凝土收缩导致的当量温差为T3.由这三部分构成混凝土的当量温差.

2 算例

2.1 工程背景

水道拟建桥位处现况河道宽度约240 m,航道等级为III级,一孔双向通航净宽为150 m,净高10 m,设计最高通航水位3.70(85高程),洪水重现期为20年.河道设巡河路,巡河路净宽6 m,净空4.5 m.

水道东侧支流名为律涌,拟建桥位处现况河道宽度约90 m,航道等级为VI级,通航净宽40 m,净高6 m,设计最高通航水位3.70(85高程),洪水重现期为20年.河道设巡河路,巡河路净空4.5 m.

水道主桥主梁采用三跨变截面悬臂浇注预应力混凝土连续刚构,跨径为110+180+110=400 m.半幅桥梁宽15.6 m,桥梁面积12480 m2.

2.2 有限元模型

本文的有限元分析是利用ANSYS有限元软件进行模拟,选取桥梁的首跨作为代表分析.本文中为了以避免大量模型建立时的重复操作,主要采用ANSYS命令流建立模型.模型材料选取与实际相近的SOLID95和LINK8单元来模拟混凝单元和钢筋单元[8].

考虑桥梁的边界条件,桥墩底用固端表示,混凝土自重取g=9.8,且考虑的是桥梁首跨在没有张拉之前的混凝土收缩.根据当量温差计算公式,得出混凝土的温差为T=-5.7℃.

首跨的有限元模型如图1所示.

图1 首跨有限元实体模型

实验研究中,选择的应变测量点如图2所示.

图2 桥梁应变控制点布置截面图

2.3 桥梁首跨早期收缩测量结果及分析

为了考虑桥梁早期收缩与其时间的关系及收缩对桥梁收缩对裂缝的影响,本作者对上节点进行了观测,结果如图3所示.

图3 各节点收缩应力变化图

由图3可以看出,在桥梁上个节点产生的收缩应力各不相同,1#、2#、3#节点布置在桥梁的顶板,其产生的应力在浇注后12～24 h内,收缩应力变化最大,且收缩值也达到最大.腹板的4#、8#节点,混凝土的收缩应力一直处于上升中,在24 h左右达到最大.底板5#、6#、7#应力值,跟顶板的变化趋势相似.

以上测量结果显示,第一,桥梁上早期收缩中,以腹板应力变化最大,说明混凝土早期收缩对其早期裂缝的产生有着重要的影响.第二,在桥梁混凝土早期收缩中,一般在浇注24 h内变化最为明显,故桥梁应在此段时间内注意早期裂缝的防护.

2.4 结果对比

为了更好的研究桥梁的早期收缩,以便在以后对早期收缩值的大小可预见性.本文利用的ANSYS实体模型中一天后的桥梁早期混凝土的应力结果与实际测量结果进行对比分析,如图4所示.

图4 实测数据与ANSYS数据对比图

在实际桥梁中,由于桥梁中混凝土接触的环境比较复杂,故会出现和理论值不相符的结果.混凝土的早期收缩与环境的温度和相对湿度有一定的关系,在有限元计算中,很难完全模拟当时的实际环境温度和相对湿度变化.故导致ANSYS的计算值与实测值之间的数值存在的一定的差值.但从图4可以看出其变化趋势是一致的.

3 结 论

通过对桥梁的几个节点测量和利用有限元进行模拟的结果,可得出一下结论:

(1)桥梁中高性能混凝土的早期收缩能产生较大的应力,且一般在混凝土浇注1 d之内产生,这能造成桥梁产生早期裂缝的产生.

(2)在桥梁截面各部分中,在早期以腹板产生的收缩应力最大,故在早期裂缝防治中应对其多注意.

(3)利用当量温差原理来分析早期混凝土的收缩是比较简便的方法之一,且可行.故可以利用此方法对桥梁等大体积构件的早期裂缝问题进行预测,以至于在施工中更好的避免其早期裂缝的产生.

[1]钱晓倩,詹树林,等.减水剂对混凝土早期收缩和总收缩的影响[J].混凝土,2004,(5).

[2]张士铎.桥梁设计理论[M].人民交通出版社,1984.

[3]沈蒲生.混凝土结构设计原理[M].高等教育出版社,2002.

[4]巴恒静,等.寒冷地区负温泵送混凝土与高强混凝土冬季施工技术研究[J].建筑技术,1997,(11):761.

[5]王铁梦.建筑物的裂缝控制[M].上海:上海科学技术出版社,1987.

[6]E.Holt,M.Leivo.Cracking Risks Associated Withearly Age Shrinkage[M].Cement&Concrete Composites,2004.

[7]B.Glisic,N.Simon.Monito Ring of Concreteat Very early Age UsingStiff SOFO Sensor[Z].Ce-ment&Concrete Composites,2000.

[8]ANSYS中国公司.ANSYS高级分析技术指南[M].2000.