某双幅双塔四索面矮塔斜拉桥混凝土箱梁局部早期收缩裂缝分析

吴 庆，徐文苏，李 光

(江苏科技大学土木工程与建筑学院，江苏镇江212003)

大体积混凝土在施工过程中的裂缝控制一直是困扰工程技术人员的一大难题，其中一项重要原因就在于混凝土自身水化热效应难以避免［1］.如果采用分层浇筑的方式，各浇筑层结合面处由于混凝土龄期不同，后浇筑混凝土的收缩变形受到先浇混凝土的约束而产生拉应力［2］.一旦该拉应力超过混凝土对应龄期的抗拉强度，就会出现裂缝灾害，影响结构安全.

混凝土箱梁0号块体积较大，在分层浇筑过程中如果不对混凝土收缩效应加以考虑，极易导致分层结合面出现裂缝［3］.影响混凝土收缩变形的因素有很多，如构件尺寸、外界环境和材料自身特性等.文中以盐城某矮塔斜拉桥施工过程中0号块顶板出现裂缝为工程背景，从施工控制的角度，对箱梁早期裂缝进行了分析研究，为今后国内外相关工程的施工提供理论参考.

1 工程背景及分析模型

盐城某双幅双塔四索面矮塔斜拉桥，主梁半幅采用单箱三室小悬臂斜腹板断面.其中0号块箱梁长12.0 m，桥面宽度为24.25 m，中支点6 m范围内梁高8.0 m，向外至0号块断面梁高线性变化为7.77 m，同时顶板、底板和腹板厚度均有不同程度变小.0号块端点断面图如图1.

图1 0号块断面(单位:cm)Fig.1 Section of block 0(unit:cm)

右幅9#墩上0号块梁段在浇筑后不久出现裂缝，裂缝主要发生在箱室上方的顶板靠近腹板和横隔板处(图2).从现场观测结果总结出，虽然裂缝分布较广，主要较大裂缝出现在腹板和横隔板处，且开展方向与腹板和横隔板方向相同.查找施工记录，发现该0号块第一次混凝土浇筑时间为2013年8月1日，当天浇筑完成.第二次浇筑时间原计划在8月12日，但由于天气等其他原因，推迟到8月29日才完成.

图2 顶板裂缝位置(单位:m)Fig.2 Position of roof cracks(unit:m)

研究选取整个0号块为对象进行箱梁0号块的收缩特性分析.利用大型有限元分析软件ANSYS建立0号块裂缝有限元模型，暂不考虑普通钢筋对混凝土收缩的约束作用.根据0号块的对称性，选取箱梁1/4作为研究对象.C55钢筋混凝土采用SOLID65单元模拟，弹性模量为3.55×104MPa，线膨胀系数为1×10-5，不考虑重力效应.混凝土边界条件采用对称截面施加对称约束，收缩效应利用等效温降的方法进行模拟［4］.0号块空间有限元模型如图3.

图3 0号块有限元模型Fig.3 Finite element model of block 0

2 箱梁0号块混凝土收缩效应分析

在箱梁0号块收缩效应分析中，考虑混凝土分层浇筑间隔时间为28 d，计算龄期至3个月后两浇筑层收缩差异最大时期应力分布［5］.第一次混凝土浇筑到距离箱梁顶面1m处，其余为后浇层，根据等效温降原理对后浇层收缩当量温差-15℃处理［6-7］.本次模拟仅考虑后浇混凝土的收缩作用，对于结构自重、预应力和混凝土徐变效应均不予考虑.

2.1 0号块整体收缩效应分析

有限元计算结果表明，箱梁0号块单独在收缩效应作用下，大部分主体应力在0.92 MPa以下，主要拉应力区域集中在顶板上，拉应力较大区域与实测顶板裂缝位置大致吻合.从图4中可以看出，顶板与横隔板板交界处的主拉应力远大于其他部位，腹板断面两浇筑层结合面处产生很大应力集中.说明后浇层在自身收缩变形过程中受到先浇层的约束作用，拉应力主要集中在顶板与腹板交接面.同时，可以看出除个别倒角之外，在顶板厚度变化区域主应力最大，应力值在1.49～2.06 MPa范围内.

图4 0号块主应力云图Fig.4 Principal stress nephogram of block 0

2.2 顶板收缩应力分析

选取图2中竖向m-m截面和n-n截面作为研究路径，其中m-m截面为沿顺桥向中心线的竖向截面，n-n截面为横隔板端处横桥向断面.在断面与顶板顶面交线上取若干点的主拉应力作图，如图5(图中LH为距横桥向中心线的距离，LS为顺桥向中心线的距离).

图5 截面应力分布图Fig.5 Stress distribution of sections

通过图5两截面应力分布可知，截面测点主拉应力总体偏大，最大应力约为2.3 MPa.对于m-m截面，横桥向应力与主应力接近重合，说明最大主应力方向与纵向一致;对于n-n截面，在0～2.5m范围内主应力与横桥向方向一致，2.5～8 m范围内仍由横桥向拉应力为主应力做主要贡献，8 m范围以外主应力方向转变为顺桥方向.此现象表明横隔板和腹板对顶板收缩应力的分布有很大影响.

3 箱梁0号块混凝土收缩裂缝参数研究

前述内容以某桥箱梁0号块顶板为例，分析了后浇层收缩效应下顶板应力的分布规律以及影响应力分布的因素.在箱梁0号块收缩裂缝参数研究中，分别对m-m截面和n-n截面在不同分层浇筑龄期、不同后浇层厚度和不同线膨胀系数下收缩应力的变化规律进行研究.

3.1 分层浇筑龄期间隔的影响

在进行不同分层浇筑龄期对混凝土收缩裂缝影响的研究中，分别考虑前后浇筑层龄期间隔取为7，14，21，28 d，对应混凝土收缩当量温差分别为-8.1，-11.5，-13.8，-15℃.

图6 不同龄期截面应力对比Fig.6 Comparison of different ages for section stress

从图6中可以看出，分层浇筑龄期的大小对顶板应力值影响很大而对顶板的应力分布影响并不明显.每增加7d的龄期间隔，箱梁顶板的主应力值分别增加43.8%，17.4%和11.1%，这符合混凝土随龄期增长收缩逐渐减缓的规律［8-9］.

以上分析说明，浇筑混凝土箱梁时，尽量减少分层浇筑间隔时间有利于控制收缩裂缝的发生，越早施工后浇层，混凝土的收缩效应越小，越利于箱梁的裂缝控制.

3.2 不同后浇层厚度的影响

在进行后浇层厚度对混凝土收缩裂缝影响的研究中，分别考虑后浇层浇筑高度取为1.0，1.5，2，2.5 m，计算龄期取后浇层3个月后的的应力分布(图7).

图7 不同后浇层厚度截面应力对比Fig.7 Comparison of different last layer thicknesses for section stress

从图7中可以看出，后浇层厚度对顶板应力的大小和分布均有很大影响.施工缝每下移0.5 m，顶板主应力值相应减小0.6 MPa左右，且减小值变化不大.随着后浇层厚度的增加，应力值显著下降，应力曲线逐渐趋于平滑也表明箱梁横隔板和腹板对收缩应变的约束作用越来越小.

以上分析表明，在箱梁施工阶段充分考虑降低施工缝可以有效地降低顶板拉应力，但降低施工缝对钢筋绑扎及混凝土振捣要求较高，必须同时考虑施工工艺的可行性与操作简便性，选择最科学和经济的施工方案.

3.3 不同线膨胀系数的影响

在进行不同线膨胀系数对混凝土收缩裂缝影响的研究中，分别考虑线膨胀系数取为1×10-5，1.1 ×10-5，1.2 ×10-5和1.3 ×10-5，计算龄期取后浇层3个月后的应力分布(图8).

图8 不同线膨胀系数截面应力对比Fig.8 Comparison of different linear expansion factors for section stress

从图8中可以看出，混凝土线膨胀系数每增大10%，应力值相应增加10%，混凝土顶板的主拉应力与线膨胀系数基本呈线性关系，应力分布规律没有明显变化.由此可见，箱梁的收缩应力对混凝土材料的线膨胀系数是比较敏感的.

在实际工程施工中，决定混凝土材料线膨胀系数的主要因素是外加剂的添加［10］.因此，在使用外加剂提高快硬混凝土性能的同时，必须把对材料线膨胀系数的影响考虑在内.

4 结论

文中以实际工程为背景，以箱梁0号块为研究模型，对顶板的收缩效应以及影响顶板收缩裂缝的因素参数进行了分析，得出以下主要结论:

1)箱梁0号块后浇层收缩效应对整体应力影响不大，但会导致顶板应力集中，诱发早期裂缝的产生.

2)减小分层浇筑龄期可以降低收缩应力，龄期越短，效应减小越明显;后浇层厚度对顶板收缩应力有决定性作用，收缩接触面的下移可大大降低顶板收缩应力;收缩应力与混凝土材料线膨胀系数大致呈线性关系.

3)箱梁顶板的早期收缩裂缝是可以通过控制施工参数减小收缩应力来进行预防的.

References)

［1］ 杜海鑫，石雪飞，杨戈平，等.现浇混凝土连续箱梁早期裂缝研究［J］.结构工程师，2013，29(5):161-165.Du Haixin，Shi Xuefei，Yang Geping，et al.Analysis of early age cracks on a cast-in-place concrete continuous box girder［J］.Structural Engineers，2013，29(5):161-165.(in Chinese)

［2］ 苏祥亚，石雪飞，李森.斜拉桥桥塔不同龄期混凝土结合面收缩效应分析［J］.结构工程师，2012，28(6):166-170.Su Xiangya，Shi Xuefei，Li Sen.Analysis on shrinkage effects of concrete in a cable stayed bridge tower［J］.Structural Engineers，2012，28(6):166 - 170.(in Chinese)

［3］ 尹立威.福建NJG大桥0#块箱梁裂缝分析［J］.湖南交通科技，2007，33(3):92 -94.

［4］ 王新敏.ANSYS工程结构数值分析［M］.北京:人民交通出版社，2010.

［5］ 石雪飞，冯电视，阮欣，等.大跨径连续刚构桥不同龄期混凝土结合面收缩影响研究［J］.结构工程师，2009，24(6):76 -79.Shi Xuefei，Feng Dianshi，Ruan Xin，et al.Analysis on shrinkage effects of concrete interfaces in long-span continuous rigid frame bridges［J］.Structural Engineers，2009，24(6):76 -79.(in Chinese)

［6］ 刘伟，董必钦，李伟文，等.大体积混凝土的温度应力分析及温度裂缝研究［J］.工业建筑，2008，38(7):79-81.Liu Wei，Dong Bixin，Li Weiwen，et al.The study on thermal stress and temperature crack of underground mass concrete［J］.Industrial Construction，2008，38(7):79-81.(in Chinese)

［7］ 孟江，赵宝俊，刘建梅.混凝土收缩徐变效应预测模型及影响因素［J］.长安大学学报:自然科学版，2013，33(2):56 -62.Meng Jiang，Zhao Baojun，Liu Jianmei. Prediction model an influencing factors for concrete shrinkage and creep effects［J］.Journal of Chang′an University:Natural Science Edition，2013，33(2):56 - 62.(in Chinese)

［8］ 王铁梦.工程结构裂缝控制［M］.北京:中国建筑工业出版社，2010.

［9］ 中华人民共和国交通部.JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［10］ 吕艳梅，刘立新，徐有邻.商品混凝土收缩应力实验研究［J］.东南大学学报:自然科学版，2005，35(Z):144-148.Lü Yanmei，Liu Lixin，Xu Youlin.Experimental study on shrinkage stress of commercial concrete［J］.Journal of Southeast University:Natural Science Edition，2005，35(Z):144-148.(in Chinese)