预制箱梁早期温度裂缝分析

火东存，薛琳婧，何 勇

(陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000)

混凝土价格低廉、抗压强度较高，是桥梁施工的首选材料，但是水泥水化热量大，而混凝土导热性能差，从而导致混凝土结构产生内外温差以及温度应变[1-3]。因为温度应变而引发的混凝土箱梁早期温度裂缝在所难免，严重危及桥梁结构安全、困扰工程技术人员，虽然国内外学者就这一问题进行了大量的理论研究和工程实践，但目前尚未得到全面有效的研究和控制，因此开展对于箱梁温度裂缝的研究具有“防微杜渐”的意义[4-5]。本文以实际工程为背景，采用有限元软件建立箱梁实体模型，模拟分析了不同温差对于混凝土箱梁早期温度裂缝发展规律的影响，以期为混凝土箱梁的抗裂提供些许参照。

1 工程概况

某连续梁桥一联四跨(4×40)，共四联，每联桥纵向及横向截面示意图如图1所示。该桥上部桥跨结构采用装配式混凝土箱梁，先简支后连续；下部基础工程采用预制桩基础。

图1 桥梁截面示意图

2 有限元模型

采用大型通用软件Midas Fea按1∶1 比例建立小箱梁有限元实体模型，模拟分析温度在小箱梁预制过程中的影响。模型采用 solid45 体单元。由于结构的对称性，取四分之一结构进行建模，共划分 96 354个单元，20 767 个节点，可保证计算精度。

2.1 相关参数的设置

1)弹性模量

根据现场温度场试验数据可知，箱梁浇筑后前36 h温度急速上升，随后逐渐下降，取温度下降时相应时间的弹性模量，以回归方程求出对应弹性模量[6-7]。

2)密度

构件砼标号为C50，其密度为2.45 t/m3。

3)泊松比

砼和钢筋的泊松比均为0.2。

4)热膨胀系数

砼、钢筋的线膨胀系数分别按照0.000 010/℃、0.000 012/℃进行设定，其他参数根据工程实际设定。

2.2 初始条件和边界条件

箱梁内部高温是由于水泥水化释放的热量。为简化模型，本文按照施加温度荷载的形式实现箱梁温度应力的分析。本文通过施加多个不同的温度梯度来分析不同温差作用下砼箱梁内温度应力的分布规律。

因箱梁底部与台座相接，可将其假定为绝热的边界；因钢模隔热保温性能差，可近似按裸露在空气中来考虑砼箱梁表面温度。

2.3 荷载施加及求解

由于箱梁浇筑早期砼温度急剧上升，弹性模量较小，塑形应变占主要部分，压应力不大；而温度达到最大值后开始下降，弹性模量升到稳定的极大值点，应变较大。因此箱梁在温升阶段的温度应力可以忽略不计，重点分析研究降温阶段的温度应力。本文分别取箱梁的内外温差为10、20、30 ℃时的温度荷载作为结构荷载施加于箱梁模型中，其中温差为10 ℃时对应龄期和弹性模量设定为70 h、19.05 GPa，温差为20 ℃时对应龄期和弹性模量设定为48 h、15.43 GPa，温差为30 ℃时对应龄期和弹性模量设定为38 h、13.2 GPa，以此模拟分析箱梁在各个情况下的温度应力分布。

3 结果分析

3.1 应力分析

考虑到梁段对称性，本文选用箱梁中梁及边梁的底板中部、腹板与底板交界处、翼缘板边缘处作为分析对象，分别分析中梁及边梁在10、20、30 ℃温差作用下的单元应力，研究箱梁纵向的应力变化趋势。中梁及边梁主应力沿纵向的变化曲线，如图2、图3所示。

图2 中梁主应力变化曲线

图3 边梁主应力变化曲线

分析图2中梁主应力分布曲线可得如下规律：温差作用下，中箱梁内的应力主要表现为拉应力；当温差为10 ℃时，应力最大值主要分布在跨中底板处、1/4跨的腹板与底板交界处以及1/4跨的翼缘板边缘处，其中腹板与底板交界处在临近1/4跨处的应力最大。翼缘板两端及跨中局部表现为压应力，其余均表现为拉应力；当温差为20、30 ℃时，应力分布同10 ℃相似，主要为拉应力；应力随温差的增大而逐渐增大，分布范围也逐渐从构件的端部向跨中延伸，局部产生的较大拉应力会导致裂缝的产生。

分析图3边梁主应力分布曲线可得如下规律：温差作用下，边梁底板中部应力分布状态与中梁大致相同；边梁在腹板与底板交界处及翼缘板边缘处的主应力值均大于中梁，究其原因为二者截面尺寸不同，由此表明截面尺寸对于箱梁温度应力有一定影响。

3.2 应变分析

对比分析各温差下的实测应变值与模拟值以确定模型的可靠性，对比如表1所示。

表1 降温10、20、30 ℃时应变的模拟值与实测值对比 10-4

分析表1所列数据可知，箱梁温度应变的数值模拟值和实测值较接近，说明所建模型可靠，可用于后续更深入的分析。各温差作用下中梁、边梁的主应变图如图4、图5所示。

图4 中梁主应变图

图5 边梁主应变图

由图4中梁主应变云图可以看出：中梁在温差10 ℃时的应变集中在8.66×10-5～2.79×10-4，温差20 ℃的应变集中在1.63×10-4～3.66×10-4，温差30 ℃的应变集中在2.35×10-4～4.92×10-4，箱梁应变随温差的增大而变大，分布规律与应力类似。

由图5边梁主应变云图可以看出：边梁在温差10 ℃时的应变集中在6.81×10-5～2.53×10-4，温差20 ℃的应变集中在1.31×10-4～4.09×10-4，温差30 ℃的应变集中在1.60×10-4～4.92×10-4，应变随温差的增大而增大，翼缘板处的应变最大。

简而言之，中梁、边梁在跨中测点处的应变均随温差增大而变大，靠近底板处的测点应变最大，腹板中部次之；箱梁在各温差作用下的应变基本为拉应变[7-8]。

4 结论及建议

本文通过建立混凝土箱梁的有限元模型，分别分析了10、20、30 ℃三种不同温差作用下箱梁应力、应变的分布规律。研究结果表明：各温差作用下，箱梁内的应力、应变主要表现为拉应力、拉应变，并随温差的增大而增大，增大至一定值后会导致裂缝的产生。建议采用适时安排混凝土浇筑时间、加强覆盖保温、及时洒水养护、早期张拉工艺等措施来控制混凝土箱梁内外温差，从而抑制混凝土箱梁早期温度裂缝的出现。