PC箱梁桥不均匀收缩控制技术研究

黄海东， 侯 旭

(1. 重庆交通大学 土木建筑学院，重庆400074; 2. 西安瑞通路桥科技有限责任公司，陕西 西安 710075)

0 引 言

在混凝土收缩控制技术方面,国内外学者做了大量研究工作,目前常用的方法是笔者通过掺加膨胀剂或减缩剂改善混凝土的收缩特性。张戎令等[14]通过复配外加剂体系中膨胀剂、减水剂、引气剂的不同掺量对收缩性能影响的对比试验，分析了不同掺量对收缩性能的影响。钱觉时等[15]为解决外加剂掺量大和影响混凝土强度发展等问题，提出了通过减缩剂外涂方式改善混凝土收缩抗裂性能的方法。Y.LEE等[16]通过在混凝土试件表面设置封闭涂层，抑制混凝土干燥收缩，进而研究混凝土自收缩及徐变特性，取得较好效果。V.SARASWATHY等[17]采用混凝土外置封闭材料，提高混凝土的抗渗性及抗老化性能。

综上所述，由于箱梁截面不均匀收缩对结构长期行为影响显著，亟待寻求可靠的解决途径。虽然目前在混凝土干燥收缩控制方面已取得大量成果，但由于大跨度PC箱梁结构体系复杂、长期结构行为影响因素众多，特别是针对大量已建成的混凝土箱梁桥，一般控制方法难以取得较好的效果。笔者从混凝土结构非均匀收缩机理出发，以模型试验为基础，提出一种基于混凝土箱型结构非均匀收缩行为特征的PC箱梁桥变形控制新方法。

1 箱梁非均匀收缩及控制机理

混凝土结构在干燥收缩过程中，内部水分向外界扩散，造成结构体积收缩变形。而结构的截面形式决定了结构的收缩变形形式。如一般矩形截面的结构，其截面各部位干燥收缩速率相同，仅发生轴向收缩变形。而对于箱形截面，由于顶底板厚度存在差异，箱梁各部位收缩速率不同，因此结构在产生轴向收缩变形的同时，还会发生挠曲变形(见图1)。当然，此种挠曲收缩变形的量值受到截面形式及结构尺寸等因素的影响。对于一般小跨径的桥梁结构，由于收缩挠曲变形量值很小，可以忽略；对于大型PC箱梁桥，其截面形式属于空间薄壁结构，收缩挠曲变形效应显著。在混凝土早龄期阶段(节段悬臂施工期间)，由于箱梁顶板平均厚度远小于底板厚度，顶板干燥收缩速度快于底板，进而导致箱梁产生上翘收缩变形。而在成桥后1～2年内，箱梁顶板干缩速度逐渐放缓，并低于箱梁底板收缩速度，进而导致箱梁产生下挠收缩变形，详见图1。大量研究[3-5][7]已经证实，这种不均匀收缩现象是引起大跨度PC箱梁桥长期过度下挠的重要因素。

图1 箱梁顶底板及截面收缩变形曲率Fig. 1 Shrinkage deformation curvature of bottom plate andcross-section of box girder

考虑到混凝土结构的长期干燥收缩是由于结构表面暴露于空气中，内部水分通过与大气相接触的表面向外扩散，引起试件内部孔隙湿度降低，进而产生收缩变形。通过在混凝土结构表面设置封闭涂层，阻隔混凝土内部水分扩散，进而抑制混凝土的干燥收缩变形。而调整涂层部位，可以改变结构的收缩变形形式。图2比较了矩形混凝土试件在不同封闭条件下的收缩变形行为。由于试件仅有上表面暴露于空气中，其它表面涂刷封闭涂层，混凝土干燥过程中与大气接触表面发生干燥收缩，而封闭表面由于环氧涂层的阻隔作用，水分扩散速率明显降低，导致试件在发生轴向收缩的同时，产生了挠曲变形。

将上述混凝土干缩变形控制方法应用到大跨度PC箱梁桥中，即通过在上部结构主梁特定区域内的混凝土表面涂刷封闭层的方式，调整结构整体的收缩变形形式，进而改善PC箱梁桥长期超限下挠问题。

图2 混凝土表面涂层对结构变形影响Fig. 2 Effect of concrete surface coating on structural deformation

2 封闭涂层作用下的不均匀收缩模型试验

为了验证表面封闭涂层方法对混凝土结构体积收缩及不均匀收缩控制作用的可靠性，开展了模型试验，主要考虑的因素包括：①混凝土水灰比；②混凝土试件形状；③混凝土试件封闭涂层厚度。

2.1 试验模型制作及分组

为研究箱型截面非均匀收缩效应及封闭涂层的作用效果，同时考虑到结构尺寸及构件实际制作等因素，将试件设计为工字型截面试件及矩形截面试件。工字型截面试件上缘及腹板厚度为5 cm，下缘厚度为10 cm，宽度为25 cm，长度为50 cm，按照混凝土强度等级及表面封闭条件进行分组。矩形试件尺寸为10 cm×10 cm×40 cm，按照混凝土强度等级及表面封闭条件进行分组。其中工字型试件分为标准试件(G试件)和半封闭试件(GF试件)，半封闭试件封闭部位为下缘及腹板。矩形试件分为标准试件(B试件)和半封闭试件(BBF试件)，见图3。

图3 试验模型表面封闭示意(单位：cm)Fig. 3 Surface closure diagram of test model

构件表面封闭材料采用环氧树脂涂层，同时外包pvc胶布。通过调整环氧涂层厚度，调整对混凝土干燥收缩的抑制作用。其中工字型半封闭试件环氧涂层厚度约1 mm，矩形试件环氧涂层厚度约3 mm，见图4。 模型试件混凝土材料按强度划分为C1、C2两个等级，水灰比分别为0.37、0.4。试件浇筑后采用洒水养护3天，构件封闭时间为8月3日。针对不同强度等级制作了立方体试件，进行28天抗压强度试验。将工字型试件及标准试件按照强度等级及封闭条件进行分组编号，详见表1。

图4 不同封闭条件的工字形试件Fig. 4 I-shaped specimens with different sealing conditions

试件类型编号等级封闭条件涂层厚度/ mm工字型试件G-1C1无封闭—GF-1C1半封闭1G-2C2无封闭—GF-2C2半封闭1 矩形试件B-1C1无封闭—BBF-1C1半封闭3B-2C2无封闭—BBF-2C2半封闭3

收缩试验在重庆交通大学徐变试验室内进行。试验室内配备了温度及湿度控制装置。试验中温度控制为20±2 ℃，湿度控制为70%±5%。在试验数据采集整理中，考虑了环境温度及应变计测量误差等因素。试验数据采集时间为浇筑后第10天，为了避开自收缩发生剧烈的时段，降低混凝土自收缩的影响。数据采集时间为第1、3、7、15天，测试时间跨度为115天。

2.2 矩形试件试验结果及分析

矩形试件分别考虑了混凝土强度等级、混凝土试件表面封闭条件等对混凝土试件的收缩变形的影响，试验结果见图5。

图5 不同封闭条件下的矩形试件收缩变形曲线Fig. 5 Shrinkage deformation curve of rectangular specimens under different sealing conditions

由试验结果可知：在相同强度等级条件下(相同水灰比)，构件的收缩受表面封闭条件影响显著。以强度等级为C1的矩形试件为例，见图5(a)，在第100天时无封闭试件B-1收缩为244 με，而封闭试件BBF-1收缩为142 με,收缩量降低41.8%。相类似的强度等级为C2的矩形试件，由于封闭涂层作用，导致收缩量降低49.7%，见图5(b)。分析原因，由于混凝土表面涂刷了环氧涂层，一定程度上限制了混凝土与外界环境之间的水分交换，进而降低了混凝土的干燥收缩变形。

另外无表面封闭的试件，收缩变形发展受环境温湿度变化影响显著，B-1及B-2试件收缩曲线在第20天及第58天均出现明显拐点。而同时期的表面封闭试件BBF-1、BBF-2试件收缩曲线较为平顺。表明封闭涂层可以有效降低环境温湿度变化对混凝土干缩发展的影响。

2.3 工字型试件结果及分析

封闭条件下工字型试件分别考虑了混凝土强度等级、试件表面封闭条件等对混凝土试件的收缩变形的影响,试件收缩变形结果见图6。

图6 工字型试件收缩变形曲线Fig. 6 Shrinkage deformation curve of I-shaped specimens

分析图6(a)、图6(c)可知，由于工字型试件上缘板及下缘板厚度存在差异，导致试件上、下缘收缩变形差异显著。以第58天为例，G-1试件上、下缘处收缩变形值分别为314、193 με，收缩变形差值达到121 με；G-2试件上、下缘处收缩变形值分别为324、146 με，收缩变形差值达到78 με。另外，无封闭涂层试件上、下缘收缩变形差值在第58天左右出现明显拐点。在0～58天期间，G-1试件及G-2试件上、下缘收缩变形差值均呈现单调增加趋势，但第58天后变形差值呈现逐渐降低趋势。在第115天时，G-1试件及G-2试件上、下缘处收缩变形差值分别减小为47、37 με。

试件GF-1、GF-2由于在下缘结构表面设置了封闭涂层，其上下缘收缩变形差异更为显著,见图6(b)、图6(d)。以GF-1试件为例，在第115天时上、下缘处收缩变形值分别为285、212 με，其截面收缩变形差值为73 με,约为无封闭条件的工字型试件G-1截面收缩变形差值的1.55倍。封闭条件下的工字型试件上、下缘收缩变形发展趋势有明显差异，上缘收缩变形随时间变化关系曲线在第58天时出现拐点，而下缘变形曲线则无明显拐点。另外封闭端的下缘收缩曲线较为光滑平顺，而暴露于空气中的上缘收缩曲线波动性较大。由此不难看出，表面涂刷封闭涂层后，可以有效降低环境湿度变化对混凝土干燥收缩的影响。封闭条件下工字型试件上下缘收缩变形发展总体趋势与标准试件相类似，即混凝土强度等级越高(水灰比越小)，相同龄期下混凝土的收缩变形越小。以上缘测点为例，不同强度等级的工字型试件GF-1、GF-2在第115天时的收缩值分别为285、313 με。

上述试件结果表明，工字型截面试件由于发生不均匀收缩，上下缘收缩应变不一致，结构在发生轴向收缩变形的同时，还将产生挠曲变形。为进一步研究试件挠曲收缩变形特征，对试件上下缘变形数据进行拟合，换算为截面变形曲率。为使拟合公式贴近常用收缩变形计算公式，采用了与ACI209最为接近的Hyperbl公式。ACI209收缩变形计算式为:

(1)

式中：εu为收缩应变终值；A为与混凝土养护条件相关的参数;t0为混凝土干燥收缩开始时间；t为混凝土干燥收缩时间。

Hyperbl公式的一般表达为：

(2)

式中：p1、p2为待定常系数。

利用数据处理软件OriginPro，对工字型试件数据进行拟合，拟合参数结果见表2。

表2 拟合公式参数计算Table 2 Parameter calculation of fitting formula

假定工字型试件收缩变形时满足平截面假定，则截面收缩曲率计算式为：

(3)

式中：εtop、εbot分别为试件上下缘应变；h为工字型试件截面高度。

由工字型试件截面收缩曲率拟合曲线可以看出，工字型试件由于不均匀收缩而发生挠曲变形。对于无封闭试件，如图7(a)，挠曲变形在30～40天发展到最大，而后逐渐降低，试件G-1、G-2收缩曲率最大值分别为285.5、262.4 με/m，在第115天时，收缩曲率降低为221.8、93.6 με/m；有封闭条件下，工字型试件GF-1、GF-2收缩挠曲变形基本为递增的，而无明显的降低趋势，在第115天时，收缩曲率分别为312.0、513.7 με/m，如图7(b)。以上试验结果表明，通过在构件表面特定位置处设置封闭涂层，可以控制和调整构件的收缩曲率发展趋势。

图7 工字型试件收缩变形曲线Fig. 7 Shrinkage deformation curve of I-shaped specimens

3 基于干缩变形控制的实桥分析

3.1 实桥封闭涂层方案设计

以江津长江大桥为例，对干缩变形控制方法的效果、适用条件及影响因素等进行数值分析。该桥于1997年建成通车,主桥跨径布置为140 m+240 m+140 m连续刚构桥。由于存在跨中下挠及箱梁开裂问题，于2008年进行了体外预应力加固，加固后跨中变形恢复约2 cm。

根据江津长江大桥的结构特点，制定箱梁表面涂层布置方案，使主梁在干缩过程中，产生向上的挠曲变形，以降低桥梁在长期运营过程中的下挠变形。具体方案为，在主梁全长范围内的腹板及底板涂刷封闭涂层，仅将顶板暴露于空气中。通过限制箱梁腹板及底板的干缩变形，使结构在干缩过程中产生向上的挠曲变形，封闭涂层布置见图8。

图8 主梁封闭涂层布置方案Fig. 8 Layout scheme of sealing coating for main beam

考虑到在实际结构中，封闭涂层对结构干缩变形控制效果可能受到环境湿度、涂刷时间与混凝土浇筑时间的时间间隔及封闭材料性能等因素的影响。在数值分析中，针对上述3种影响因素进行参数敏感性分析。计算模型采用三维有限元模型，通过湿度扩散-结构变形耦合分析，模拟箱梁结构设置封闭涂层后的收缩变形行为，计算原理及相关计算方法详见文献[6]、文献[7]。

3.2 封闭涂层作用效果分析

为分析箱梁表面封闭涂层的作用效果，首先假定涂层封闭时间为桥梁施工完成，环境平均湿度为60%。同时假定混凝土表面涂层材料为理想材料，即可以完全阻隔混凝土表面水分挥发。分析中仅考虑混凝土收缩单一因素作用，而未考虑混凝土徐变、预应力及其它荷载作用。有限元分析结果表明，由于封闭涂层的阻隔作用，对箱梁底板及腹板的内湿度扩散及干燥收缩产生约束抑制作用，进而转变了箱梁结构的挠曲收缩变形方向。图9显示了箱梁表面封闭涂层设置6 000天后跨中截面呈上翘变形。

图9 封闭涂层作用下结构整体收缩变形及内湿度分布(t=6 000天)Fig. 9 Shrinkage deformation of the whole structure and internal moisture distribution under the influence of sealing coating (t=6 000 day)

图10比较了箱梁表面设置封闭涂层后6 000天内结构整体的收缩变形情况。设置封闭涂层后，有效降低了主梁收缩变形总量，如图10(a)。设置封闭涂层后第6 000天时，有涂层结构及未设置涂层结构，边支点处轴向收缩变形分别为3.43 cm和7.01 cm。由于封闭涂层的作用，导致结构轴向收缩变形总量降低了51%。另外，封闭涂层对控制箱梁长期挠曲收缩变形影响显著,如图10(b)。对于未设置涂层结构，由于箱梁截面的挠曲收缩，使得中跨结构在长期收缩变形中呈下挠趋势，成桥后第6 000天时跨中收缩下挠值达到-4.97 cm。设置封闭涂层后，转变了箱梁截面的挠曲收缩变形趋势，产生上翘变形，同期跨中收缩上翘值达到5.6 cm。

图10 封闭涂层作用下结构轴向收缩及挠曲收缩变形比较Fig. 10 Comparison of axial and flexural shrinkage deformation of the structure under the influence of sealing coating

3.3 环境湿度敏感性分析

混凝土材料的干燥收缩受环境湿度影响显著。为进一步验证封闭涂层在不同湿度环境下的作用效果，针对环境湿度影响开展参数敏感性分析。取环境平均湿度为80%、70%、60%，封闭材料涂刷时间为成桥后。不同湿度条件下，设置封闭涂层后桥梁轴向收缩变形及跨中挠曲变形计算结果如图11。

封闭涂层对控制主梁变形的作用效果受到环境湿度影响显著。当环境平均湿度由60%增加到80%时，跨中截面挠曲变形由5.6 cm降至2.8 cm，边支点处轴向收缩变形也由3.4 cm降至1.7 cm。

3.4 涂层设置时间敏感性分析

封闭涂层设置时间，对结构干燥变形控制效果影响显著。封闭涂层设置时间越早，对混凝土干缩变形的抑制作用越明显。考虑到实际应用过程中，为避免施工原因造成的涂层破坏，一般涂层设置时间在全桥施工完成后。另外为验证不同使用年限的已成桥梁，采用封闭涂层对结构变形的控制效果，因此在涂层设置时间敏感性分析涂层设置时间分别取为成桥后及成桥后300天、1 500天、3 500天。计算结果如图12。

图12 不同涂层设置时间条件下结构轴向及挠曲变形Fig. 12 Axial and flexural deformation of the structure under the conditions of different coating setting time

封闭涂层的设置时间，直接决定了对结构干缩变形的控制效果。封闭涂层施加的时间越早，则主梁结构边支点轴向收缩变形越小，跨中截面上抬变形越大。以成桥后1 500天施加封闭涂层为例，施加涂层前主梁结构由于截面非均匀收缩导致跨中产生下挠变形值为2 cm。而施加涂层后，由于封闭涂层抑制了箱梁底板及腹板的收缩变形，使主梁开始产生向上的挠曲变形，7 300天时主梁跨中上挠变形为1 cm,见图12(b)。由于封闭涂层的施加，主梁轴向收缩变形速率显著降低，在轴向收缩变形随时间发展曲线上出现明显拐点，见图12(a)。

4 结 论

以封闭条件下的混凝土干缩试验为基础，提出了一种基于混凝土干缩变形机理的PC箱梁桥变形控制方法。采用数值仿真技术对各影响因素进行了敏感性分析，可以初步得出如下结论：

1)模型试验结果表明，由于封闭涂层的阻隔作用，可以有效改变混凝土结构干燥收缩曲率，115天时封闭组试件相对于无封闭组的收缩曲率增大了1.4～5.5倍。因此通过调整涂刷部位，可以控制结构收缩挠曲变形方向及发展趋势。

2)实桥封闭涂层试设计及有限元仿真结果表明，采用在箱梁外表面涂刷封闭涂层可以改变PC箱梁桥结构收缩变形形态，并产生有利于结构受力状态的上翘变形。分析结果表明，由于箱梁表面封闭涂层的作用，使主梁跨中收缩下挠值由-4.97 cm转变为上翘变形5.6 cm。

3)封闭涂层对结构干缩变形控制效果受到环境湿度及涂层设置时间等因素影响显著。其中当环境平均湿度由60%增加到80%时，封闭涂层对跨中截面挠曲变形的改善作用减低50%。同时封闭涂层施加的时间越早，则主梁结构边支点轴向收缩变形越小，跨中截面上抬效果越显著。

4)对于不同材料的封闭效果及耐久性等问题有待进一步的试验研究。