混凝土箱型桥塔既有裂缝温变特性研究

2022-04-04任翔,卢宇,宋飞,谭潇

公路工程 2022年1期

任翔,卢宇,宋飞,谭潇

(西安科技大学建筑与土木工程学院，陕西西安 710054)

大跨度悬索桥、斜拉桥、预应力混凝土连续刚构桥的大体积混凝土空心薄壁桥塔、桥墩结构沿塔壁中心线附近出现竖向裂缝，并有不断扩展的现象。在裂缝的形成和扩展的过程中，日照温度效应是一个重要的影响因素。

许多学者已经在温度效应方面进行了大量的研究，顾斌[1]等依据实测温度与有限元软件模拟对比提出了三维日照温度场的模拟方法。代璞[2]等利用现场实测数据与有限元软件模拟给出了 H 形截面混凝土桥塔的温度场和温度应力的分布特点。KIM[3]等以韩国的仁川大桥为例，利用数值方法分析了斜拉桥钢箱梁温度场的分布规律，张永健[4]等以某双肢人字形独塔斜拉桥为例，通过有限元软件分析了桥塔在整体温度效应作用下的应力分布情况。任翔[5-7]等以某悬索桥混凝土桥塔为例，观测了其日照温度场，分析了不同温差荷载随时间的变化规律，以及在塔壁厚方向最不利的温差作用下桥塔的空间应力分布情况，研究了温差作用下混凝土桥塔开裂面应力分布状态，表明未开裂面应力均较开裂面应力小。陈定市[8]等利用有限元软件分析了桥塔在日照温度作用下的温度场与应力场的分布规律，同实测值对比结果表明差异较小。

从以往的研究可以看出，对于混凝土的温变特性研究，主要集中于温度场、温度应力和开裂等方面，而对于斜拉桥、悬索桥混凝土桥塔塔身在桥梁运营使用中出现竖向裂缝在温度的影响下，裂缝宽度是否稳定，有无扩展、扩展到何种程度研究相对较少。因此，通过观测数据与有限元模拟结果进行对比分析，研究不同温度场与裂缝扩展机理的相关性，对温度与裂缝宽度的变化关系进行研究，并为以后该类桥梁的设计计算和维修养护提供依据。

1 温度场和裂缝试验研究

1.1 工程概况

某长江公路大桥为单跨双塔悬索钢箱梁体系大桥，跨径为960 m，桥面宽30 m，桥塔为H型塔，北塔高112.415 m，南塔高142.270 m，双塔塔肢均设有上、中、下3道横梁且各横梁高分别为5.4、7.5、6.8 m。桥塔塔肢采用混凝土空心薄壁箱型结构，各塔肢横桥向宽度均为5 m，顺桥向宽度北塔由塔顶6 m渐变至塔底为8.248 m，南塔由塔顶渐变至塔底为8.845 m，塔肢壁厚随塔高变化，内侧壁厚由0.8 m逐渐变化为1.0 m，外侧壁厚由0.9 m逐渐变化为1.1 m，塔肢的四角、外侧壁设有0.3 m×0，5 m、0.3 m×0.15 m槽口。

1.2 试验方案

桥塔的上、下游4个塔肢受周围环境温度和所受太阳辐射情况相近，为了便于桥塔的温度场与裂缝的观测，而选择北塔下游的塔肢作为温度场和裂缝观测对象，测试断面选在距桥面1 m处，桥塔温度场观测断面与裂缝观测点位置如图1(a)所示，图1(b)中：1、2、3、4代表桥塔所选取箱型截面上每个塔壁外表面上的温度测点位置，1’、2’、3’、4’代表桥塔所选取箱型截面上每个塔壁内表面上的温度测点位置。

同时选择2条裂缝作为测试对象，裂缝1和裂缝2都位于北塔下游西侧塔壁的内表面上，裂缝1距离桥面1.5 m左右处，裂缝2距离桥面17 m左右处。裂缝观测测点1、2位置如图1(a)所示，现场裂缝测试和分布图如图2所示。

(a) 温度场和裂缝观测点示意图

(a) 现场裂缝观测图

温度场测试选择量程为-50 ℃～1 000 ℃，精度为0.1 ℃的红外线测试仪，其操作简便，精度稳定。裂缝测试选择海创高科的HC-U8系列多功能混凝土超声波检测仪。为了精准探究温度与裂缝的关系，避免偶然性和测试带来的误差，因此测试同步进行，选择春、夏、冬3季进行测试，具体测试时间分为2015年5月1日—5月7日、7月27日—8月2日、2016年1月17日—1月22日进行3次测试观测。每间隔2 h测一次，24 h不间断。

1.3 测试结果及分析

1.3.1温度场测试

桥塔内外表面各个方向上观测的温度变化情况：将实测的春、夏、冬3个季节的3 d温度观测数据作为分析对象。

把桥塔截面塔壁内外表面所测的4个温度数据均取平均值作为桥塔的温度观测数据绘制如图3、图4、图5所示的温度随时间变化规律。表示在2015年5月1日—5月4日、2015年7月28日—31日、2016年1月17日—1月20日各3 d内桥塔塔壁4个方向内外表面的平均温度的温度变化情况。

(a) 桥塔内

图中的横坐标为测试时间，以第1天第1次测试时间8点为零作为起始点，纵坐标为温度值，折线图中各个时刻所对应的数值表示所测桥塔截面各个内外表面的温度值。

通过图3、图4、图5可发现桥塔在5月1日—5月4日和7月28日—31日的3 d内，桥塔各个方向的外表面温度变化起伏较大，且温度随时间变化曲线近似于正弦或余弦变化，而桥塔各个方向的内表面温度变化波动较小即趋于稳定。而桥塔在冬季时，桥塔各个方向的内外表面温度变化波动均较大且相似变化。

同时，桥塔的各个方向上的内外表面最高温度均发生在夏季南侧，值分别为37.1 ℃、46.6 ℃，内表面最低温度出现在冬季北侧，值为-8.5 ℃、外表面最低温在冬季南侧，值为-9.8 ℃。

1.3.2裂缝测试

a.春季裂缝变化。

春季裂缝选取测试时间为2015年5月1日—5月4日，裂缝宽度和深度随时间变化规律如图6、图7所示。

图6、图7中横坐标均代表测试时间，以第1天第1次测试时间点也就是8点为零作为起始点，然后每间隔2 h测一次，24 h不间断，连续测试3 d，图6、图7中纵坐标分别表示裂缝宽度的宽度大小、裂缝深度的深度大小。裂缝宽度与深度测试时间同步。

图6 春季裂缝宽度随时间变化规律

图7 春季裂缝深度随时间变化规律

通过图6可得出裂缝1和裂缝2宽度变化保持在0.29～0.31 mm之间变化，从随时间变化上看裂缝的宽度值基本都是在0.3 mm上下波动，并且波动范围在0.02 mm以内，可以初步判定裂缝1和裂缝2的宽度基本变化很小。由图7可发现裂缝1的深度在31～38 mm之间变化，大多数集中在34 mm左右，变化最大相差7 mm，随着时间的变化裂缝深度的变化呈现出正弦曲线趋势，但是幅度较小。

b.夏季裂缝变化。

夏季裂缝选取测试时间为2015年7月28日—7月31日，对裂缝1、裂缝2进行了连续3 d的观测，每天连续24 h观测，每次观测时间间隔是2 h，持续3 d不间断。裂缝1和裂缝2的宽度和深度观测结果如图8、图9所示。

图8 夏季裂缝宽度随时间变化规律

图9 夏季裂缝深度随时间变化规律

由图8中可得出，裂缝1和裂缝2的宽度分别在0.28～0.36、0.31～ 0.45 mm之间变动，呈现波浪式的变化形式，裂缝1的宽度数据集中在 0.33上，裂缝2的宽度数据多数集中在0.42上。总体而言，2条裂缝的变化幅度相对较小。由图9中可以得出裂缝深度随时间的变化规律，裂缝1和裂缝2都没有明显的变化规律，随着时间的增加，裂缝1和裂缝2的深度变化比较混乱，裂缝1的深度变化范围在34～ 63 mm之间，裂缝2的深度变化范围在25～53 mm之间，两条裂缝的变化范围都非常大，并且都呈现了复杂性。

c.冬季裂缝变化。

2016年1月17日—1月20日，对裂缝1、裂缝2进行了连续3 d的观测，每天连续24 h观测，每次观测时间间隔是2 h，持续3 d不间断。裂缝1到裂缝2的宽度和深度观测结果绘制如图10、图11所示。

图10 冬季裂缝宽度随时间变化规律

图11 冬季裂缝深度随时间变化规律

从图10中可得裂缝1的宽度多数集中在0.29～0.35 mm之间；裂缝2的宽度多数集中在0.36～0.42 mm之间。总体来说2个裂缝的变化趋势都较为平稳，变化幅度较小，2条曲线呈现出正弦曲线趋势，说明裂缝在正负温差下有闭合和张开现象；从图11中得出缝1和缝2的深度变化呈现出波动起伏大，没有一定的变化规律，缝1的深度范围为21～54 mm，呈上下起伏无规律，缝2的深度范围为23～53 mm，与缝1变化基本相似。

2 温差与裂缝相关性分析

通过观测数据分析可初步得知，裂缝宽度的变化和温差有紧密的关系，故可将温差作为参变量来考察其对裂缝的影响。

把观测桥塔塔壁的温差，以及裂缝宽度数据绘制如图12、图13、图14所示宽度随时间、温差变化。分别表示在春季2015年5月1日—5月4日、夏季2015年7月28日—31日，冬季2016年1月17日—1月20日各3天内桥塔塔壁所测的数据。图中的横坐标代表测试时间，以第1天第一次测试时间8点为零作为起始点，左纵坐标为温度，右纵坐标为宽度，点线图上每一个点代表测试时间对应的温差值和裂缝宽度值(塔壁外表面温度高于内表面温度为正温差，反之亦然)。

图12 春季宽度随时间、温差变化

图13 夏季宽度随时间、温差变化

图14 冬季宽度随时间、温差变化

从图12～图14可得出在春、夏、冬3季桥塔沿壁厚4个方向的内表面温差随时间的变化趋势一致，桥塔的内外表面正负温差均发生在冬季，最大值分别为20.4 ℃、-11.5 ℃，同时，5月1日—5月4日和7月28日—31日3天内4个方向的正温差最大值均发生在14:00—16:00这个时间段，负温差发生最大值出现在4:00—6:00这个时间段，1月17日—1月20日3天内最大正温差发生在10:00左右，最大负温差发生在4:00左右，而一般阳光温度最高发生在12:00—13:00左右，由于桥塔是混凝土结构，混凝土的传热性能较差，因此在桥塔内外表面升温过程中温度变化有滞后性。

3个季节裂缝宽度在温差变化下总体可以看出裂缝宽度并不是一直在扩展状态，从图12可以得出随着温差的增大(无论是负温差的增大还是正温差的增大)，裂缝1和裂缝2的宽度都没有明显的扩展现象，2条裂缝都呈现出了在0.02 mm范围内变化。由图13可知裂缝1、裂缝2在温差的影响下，前1天裂缝宽度处于扩张趋势且已扩张到最大值，分别为0.45、0.36 mm，之后裂缝进入扩大缩小来回变化，同时变化的幅值为0.14 mm。由图14得出第1天的温差比较大，说明第1天的冬季温度比较低，后面几天温度逐渐回升，导致了温差逐渐变小的趋势。随着温差的逐渐变化，裂缝宽度始终保持一种趋势变化，在0.06 mm范围内变化，说明冬季时的温差对裂缝宽度的影响相对较小。

3 理论与测试结果对比分析

3.1 分析模型建立

为了分析裂缝的扩展，因此，选取裂缝所在的一节段作为分析对象，利用有限元软件Abaqus建立三维模型，根据现场实测温度数据分析桥塔的温度场和裂缝的扩展情况。

有限元模型和实体桥塔材料一样采用C50混凝土(参数见表1)，以及型号Φ32、Φ16的钢材II级普通钢筋如图15，模型边界条件底部为固结上顶面(自由端面)。三维模型建立以后进行网格的划分见图16，首先对部件模型进行切割，目的是为了增加分析结果的精确性。此过程是模拟在随时间变化下，桥塔内外温度的变化情况，得出桥塔节段内外表面的温度场。然后建立裂缝部件，裂缝参数以测点2第一个的测试宽度为0.31 mm，深度为21 mm，长度为30 cm的一条裂缝引入网格模型中。

图15 钢筋混凝土模型

图16 三维实体网格模型

桥塔的温度场分析时不考虑钢筋作用，分别采用7月28日—31日、1月17日—1月20日所测的温度作为荷载施加，以幅值Amplitude形式输入，单元类型选用DC3D8(an 8-node linear heat transfer brick)。分析步设置时(以夏季为例)，分析时间设置为70，把0当做第一个测试时刻，夏季测试时刻长度为3 d即72个测试时刻，增量步采用固定增量步，最大增量步的数量为100，增量步的大小为1。

表1 混凝土C50热性能参数Table 1 Thermal performance parameters of concrete C50热传导率/w·m-1· ℃-1 密度/kg·m-3 弹性模量/GPa泊松比比热容/J·kg-1·℃-1 热膨胀系数抗拉强度/MPa2.552 40029.50.29301.0 e-52.65

3.2 温度场下裂缝扩展行为对比分析

(a) 温度场分布情况

裂缝宽度值以第1天所测值0.31作为初始值，以夏季每天测的内外表面温度值输入模型作为施加的温度荷载。每间隔4 h作为一个时间点，分析裂缝1的宽度在3 d内的变化值，最后将实测数据与理论数据进行对比如图19所示。

图19 裂缝宽度实测变化值与计算变化值

从图17、图18中可知裂缝在夏季、冬季温度荷载作用下，桥塔内表面裂缝均没有扩展，与前文实测裂缝的结果比较吻合，说明在测试时间段内裂缝没有明显的扩展。

从图19可以看出，在实测数据宽度变化值与计算变化值随时间的变化趋势整体基本一致，同试验数据吻合较好，差值都在0.02 mm以内，部分时刻相差较大且整体计算值略偏小于实测值，产生这种情况由于理论计算的宽度变化值仅考虑温度荷载影响，而实测值中除了有温度荷载对裂缝宽度的影响以外，还有车辆荷载、上部结构荷载作用，以及桥塔本身自重、测量仪器的精确性不足等因素。

4 结论

a.桥塔沿壁厚方向上的内外表面温差在春、夏、冬3季的变化趋势一致，正负温差的最大值均发生在冬季，最大值分别为20.4 ℃、-11.5 ℃。

b.通过裂纹观测发现，裂纹虽然没有较大的扩展，但是裂纹存在张开和闭合的现象。从塔壁厚度方向温差与裂纹变化关系分析表明，裂纹存在温变特性，即当塔壁温差为正时，内表面出现压应力，裂纹有闭合趋势，当温差为负时，裂纹有张开趋势。

c.桥塔裂缝在各个季节的裂缝宽度随着温差、时间的变化呈现出在一个宽度数值上下波动，春、冬季的波动幅值较小，基本在0.03、0.06 mm；夏季时较大，在0.14 mm，针对夏季结合数值模拟与试验数据吻合较好。本研究的结论对日后既有混凝土的裂缝缝补和修复处理有一定的工程借鉴与指导作用，尤其在严寒地区或者高温季节进行裂缝修缮时更有指导意义。