宽幅预应力混凝土连续箱梁桥施工裂缝控制研究

2021-04-20伊新国

设备管理与维修 2021年6期

关键词：龄期箱梁水化

伊新国

（中铁十九局集团第二工程有限公司，辽宁辽阳 111000）

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在交通基础设施不断发展的当今，预应力混凝土连续箱梁得到广泛的应用，但在实际施工及设计时，受各种因素的影响，部分预应力混凝土连续梁桥常有裂缝出现，特别是在宽幅预应力混凝土连续箱梁施工中常有裂缝出现。

1 有限元模型

某预应力混凝土变截面连续箱梁采用单箱3 室直腹板横截面形式，桥梁标准断面有49.5 m 的宽度以及0.3 的宽跨比。桥梁截面尺寸如图1 所示。

基于该桥梁的特点，采用FAE 有限元分析软件对其进行建模分析。对悬臂施工阶段桥梁在各种工况下的应力状态进行分析计算，基于桥梁裂缝所处位置以及具体施工状况，对裂缝产生规律及原因进行分析，为后期施工提供依据。所建立桥梁模型如图2 所示。因该桥梁施工时有较多裂缝出现在2#块箱梁，因此仅分析2#块箱梁悬臂施工。

2 影响因素分析

2.1 自重荷载效应分析

在理想施工状态下，考虑浇筑2#箱梁后的自重效应，所得结果为：桥梁最大纵向压应力以及拉应力分别为2.14 MPa 和1.43 MPa；桥梁最大横向压应力以及拉应力分别为0.79 MPa和0.67 MPa；2#箱梁在混凝土自重效应下有0.76 MPa 的最大拉应力出现在中间箱室顶板处，可知其满足短期状况构件的应力要求，即不会有裂缝出现。

2.2 混凝土水化热影响分析

图1 桥梁跨中截面

图2 桥梁有限元计算模型

2#箱梁体积95 m3，属于体积较大的混凝土，浇筑完混凝土后因水泥水化热产生的影响不可忽视。混凝土初凝后会逐步有刚度以及强度形成，此时若仍处于升温阶段，可能会导致其表面出现温度裂缝。水化热降温时释放完毕后，混凝土的强度及刚度会有较大的提高，但因存在现浇段的约束，拉应力会因无法释放而逐渐积累变大，更易出现裂缝。所用混凝土配比：400 kg/m3水泥，50 kg/m3粉煤灰，50 kg/m3矿粉。计算可得其最大绝热温升为68.1 ℃，26.6 ℃的混凝土拌合温度和34.6 ℃的浇筑温度。现场测试可得混凝土浇筑前后有24.5 ℃的温差。

2.2.1 温度场分析

不考虑混凝土的效应时，腹板和底板间的倒角处有54 ℃的最大水化热温升。相比于中间箱室的顶底板温度，腹板与顶底板交界处的温度较高。相比之下，腹板温度比底板和顶板温度高。分析原因为厚度较大的腹板难以与外界开展热量交换，故其具有较高的温度。

取顶底板上下表面进行分析，所得结果如图3 所示。随着混凝土龄期的不断变化，顶底板混凝土的水化热温有着一样的变化规律。

图3 箱梁顶底板温度随混凝土龄期变化曲线

从图3 可知，在第12 h 有最大的混凝土温升，此时顶板温度低于底板温度。混凝土顶底板的温度变化有3 个较为显著时期划分，分别是升温期0～12 h，降温期12～105 h 以及105 h 后的稳定期。混凝土的自重效应对其水化热反应有一定影响。因此，混凝土的结构自重效应在对混凝土水化热反应进行有限元计算时应加以考虑，使其更加贴近实际。顶板温度实测结果与仿真结果相近，但经过12 h 后底板实测温度与计算温度有较大偏差出现，分析可能与混凝土的养护有关。

2.2.2 应力场分析

基于模型计算结果，在温度以及混凝土的收缩徐变作用下，102 h 下箱梁顶板在在不考虑自重效应时的拉应力最大值为1.98 MPa，拉应力满足规范要求，故不会出现开裂现象。但混凝土的温度应力在其龄期变化时也会随之改变，因此研究混凝土水化热与裂缝之间的关系还需考虑其他影响。

图4 混凝土应力随龄期的变化（考虑自重）

从图4 可知，当考虑混凝土的自重效应时，横桥向拉应力有较大的增加。顶板下表面混凝土在40 h 之后的拉应力值大于其抗拉强度，即顶板混凝土可能会有开裂现象出现。相比之下，纵桥向应力在考虑自重效应之后变化较小，表明自重对横桥向应力影响较大。

在0～12 h 时，混凝土顶底板的应力在不考虑自重效应时主要是压应力，且其值与温度成正比例关系。在12～36 h 时，混凝土顶底板应力随着龄期的推移而不断降低并趋于0；混凝土横桥向拉应力在36～105 h 内随着龄期的增加而不断增加，但在105 h 后则不断降低。顶底板下表面拉应力大于上表面；顶板下表面在40 h 后有超出抗拉强度标准值的拉应力出现，说明可能在顶板下表面会有纵向裂缝出现，需对其温度进行控制。底板上下表面拉应力均小于抗拉强度标准值，故不会有开裂现象出现。

顶板下表面在考虑自重效应情况下的纵桥向拉应力均小于抗拉强度标准值，故不会出现开裂现象。在0～12 h 内，顶板上表面纵桥向拉应力随着温度的升高而不断升高；在12～40 h内，其值逐渐减少并趋于0；40 h 之后有压应力出现在顶板混凝土。此外，顶板上表面在0～18 h 内有比抗拉强度标准值大的纵桥向拉应力出现，表明顶板上表面可能会出现开裂；底板上表面压应力始终小于抗拉强度标准值，因此不会有开裂现象；底板下表面混凝土在0～10 h 内有大于抗拉强度标准值的拉应力出现，故在其底板下表面可能有横向裂缝。

从上述分析可知，将抗拉强度作为裂缝出现的依据考虑温度收缩裂缝时，所得结果与实际情况较为不符。因此，将基于混凝土收缩徐变的基础，以极限拉伸作为依据考虑其温度收缩裂缝。所得结果如图5 所示。

图5 混凝土应力随龄期变化（考虑极限拉伸）

顶板上表面混凝土在考虑混凝土极限拉伸之后30～80 h内的温度应力超出允许值，同样，其底板下表面混凝土在30～60 h后的温度应力也超出允许值；即代表此时将会有纵向裂缝出现在顶底板下表面位置，此时箱梁混凝土所处阶段为降温期。顶底板混凝土应力在其水化热稳定后趋于稳定。从图5 可知，底板下表面混凝土在0～28 h 内的温度应力大于允许值，此时将会出现横向裂缝。基于桥梁裂缝的实际发布位置可知，在分析混凝土收缩裂缝成因时，以其极限拉伸为参考进行分析更加准确。