桥塔水化温度效应及开裂原因分析

黄维树，宋军

（1安徽省交通控股集团有限公司，安徽 合肥 230088；2上海同济检测技术有限公司，上海 200092）

1 引言

混凝土在内部水化效应以及外界散热的影响下，产生复杂的温度效应，当结构受到约束时，产生应力效应，可能引发内部与表面的开裂[1]。水化温度问题在水工、桥梁承台等大体积结构中得到重视，有较多的控制方法[2、3]。桥梁塔柱具有壁厚较厚、标号高水泥用量大等特点，在施工中也容易产生开裂的现象[4]。

本文以芜湖长江公路二桥桥塔为例，开展无温控措施下的温度仿真以及热力耦合分析，对开裂成因进行研究。芜湖长江公路二桥桥塔设计为分肢柱式塔，设计为C50混凝土，总高259.48m。中下塔柱横向分为2肢，为扁平截面，高151.48m；上塔柱为八边形空腔截面，高108m。桥塔采用爬模法施工，分节高度为4～6m，见图1所示。

2 分析方法

2.1 温度计算

图1 桥塔总体布置及典型断面图

温度计算采用瞬态热传导基本方程[1]，描述如下：

式中：T为瞬时温度；t为时间；λ为导热系数；ρ为密度；c为比热容；Q为生热函数。

生热函数中，绝热温升由试验测定为58.3℃。此外，计算中考虑外表面的对流效应，由反推确定模板覆盖情况下单位时间的对流系数为2W/m2，拆模后裸露表面单位时间的对流系数为15W/m2。

2.2 应力计算

早龄期混凝土材料特性具有时变特征，表现为弹性模量、抗拉强度随时间增长以及徐变效应。弹性模量增长按照CEB-FIP提供的模型选用[5]。徐变效应选用文献[1]提供的计算公式进行计算：

式中：C(t,τ)为 τ时刻加载至 t时刻的徐变度，其中 C1=0.23/Ec，C1=0.52/Ec；Ec为弹性模量。

分别建立中下塔柱以及上塔柱的实体有限元模型，开展温度以及应力仿真分析计算。

3 中下塔柱分析

3.1 温度分析

分肢段塔柱仍然具有超过1m的厚度，水化热产生的温升效应仍然较为显著，内部最高温达到80℃（入模温度28℃），且占据较大的范围，内侧散热慢，其温度也高于外侧温度，见图2所示。

3.2 应力分析

图2 中下塔柱温度场（单位：℃）

由于前后节段龄期差相差较小，两层之间的弹性模量相差并不悬殊，且截面尺寸相差较小，因此上层与下层混凝土刚度差也较小，当上层产生降温收缩位移时，下层也会产生相应的位移。从温度应力计算可以看出，下部最高应力达到4～5MPa，分肢断面大部分区域的应力位于2～4MPa之间，该应力水平也超出了混凝土自身的抗拉强度。

4 上塔柱标准节分析

4.1 温度分析

上塔柱标准段温度计算结果见图4所示，可以看出标准节段为传统大体积混凝土构件，积聚热量较多，内部较大范围区域内温升均较高，达到82℃；表面也维持较高温度状态，最高温约为62℃；从最高温变化曲线可以看出，实体到达最高温历时约3～4d，且温峰持续时间较长，约 2～3d。

图3 中下塔柱应力场（单位：Pa）

图4 上塔柱温度场（单位：℃）

4.2 应力分析

针对水化降温作用下的体系应力进行分析，将横桥向及纵桥向的最终应力场汇总于图5所示。

纵桥向应力及横桥向应力较大区域位于大实体区域与下方节段的结合面上方，较大范围应力位于3.5～4.0MPa。由于上塔柱横纵尺寸较为接近，两个方向的应力水平相当。

5 开裂机理分析

图5 上塔柱应力场（单位：Pa）

结构的全部或者部分边界收到外界约束，温度变化时不能自由变形而引起的应力。例如混凝土浇筑冷却时受到基础的约束而产生的应力。塔柱上下层由于温度不同，也会产生这种约束的应力。

根据前述计算分析可知，对于下塔柱，两侧薄壁下方存在高应力区域，对于上塔柱，在下方内部存在高应力区域，可能产生贯穿开裂，见图6所示。

图6 内部开裂示意图

外约束产生的裂缝由于破坏了结构完整性，削弱结构力学性能；并且会导致水分或空气的进入，加速混凝土碳化以及钢筋、劲性骨架的腐蚀，影响结构的耐久性能。因此开展温度控制对于桥塔十分重要。

6 结论

以芜湖长江公路二桥为例，开展了桥塔温度响应研究以及裂缝成因的研究，主要结论有：

①中下塔柱薄壁内容易积蓄较高的温升效应，且由于薄壁刚度较低，在降温期间，受结合面约束可能产生贯穿的开裂现象；

②上塔柱浇筑方量大，内部温度不容易扩散，在降温期间受下方混凝土的约束，结合面也可能产生深层的开裂现象；

③桥塔塔节之间的约束为普遍现象，在温度较高的情况下，容易引发不同程度的开裂，应采取有效的措施对温度应力进行控制。