莊燕珍

(三明市交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，三明 365000)

0 引言

混凝土結(jié)構(gòu)的水化溫度效應(yīng)可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生早期裂縫，影響結(jié)構(gòu)的使用性能和耐久性能[1]，因此對(duì)水化溫度應(yīng)力進(jìn)行分析并開展相應(yīng)控制具有重要意義。

大跨徑混凝土箱梁由于底板或者腹板尺寸較厚，同樣會(huì)產(chǎn)生較高的水化溫升，箱梁也有較高的開裂可能性。目前針對(duì)箱梁0# 塊的研究較多， 通過采取溫度測(cè)試，并進(jìn)行應(yīng)力分析， 得出水化溫度是早期開裂的主要原因之一，并給出控制內(nèi)外溫差、優(yōu)化混凝土配合比等相關(guān)建議[2-5]。普通箱梁節(jié)段尺寸雖然偏小，但在水化熱量水平較高的情況下，也可能產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，箱梁可能出現(xiàn)頂板、腹板或者底板的貫穿裂縫[6-9]，箱梁早期溫度裂縫問題逐漸得到廣泛關(guān)注。

剛構(gòu)體系箱梁橋合攏段也可能產(chǎn)生較高的水化溫升效應(yīng)，由于墩梁固結(jié)，升溫及降溫變形受到縱橋向及橫橋向兩個(gè)方向的約束效應(yīng)， 可能造成早期開裂現(xiàn)象。本文以某V 型剛構(gòu)橋?yàn)楸尘肮こ蹋?采用溫度試驗(yàn)結(jié)合有限元分析方法， 對(duì)合攏段的水化溫度應(yīng)力開展研究，探明影響規(guī)律， 并進(jìn)行應(yīng)力控制措施的參數(shù)化分析，為裂縫控制提供參考借鑒。

1 工程背景

某連續(xù)Y 型剛構(gòu)橋全長330.12m，位于半徑550m 圓曲線上，跨徑布置為90.33m+150m+89.79m，上部結(jié)構(gòu)采用單箱單室斜腹板箱梁截面，腹板斜率保持不變。中跨跨中梁高為2.5m，梁高沿縱向按2.5 次拋物線變化，在中墩主梁與Y 構(gòu)交接處梁高為5.79m。 中墩頂梁段梁高為2.325m，詳見圖1。

圖1 剛構(gòu)橋總體布置圖(單位：m)

箱梁主要尺寸： 頂板厚0.3m； 邊跨與中跨底板厚0.47～1.21m，墩頂區(qū)域底板厚0.3～0.43m；邊跨與中跨腹板厚0.45m，在靠近墩頂位置漸變?yōu)?.75m；墩頂腹板厚0.75m；翼緣板長2.06m，厚0.4～0.6m。 典型斷面見圖2。

圖2 剛構(gòu)橋斷面型式(單位：m)

合攏段澆筑，混凝土為C60 商品混凝土，單方采用P.Ⅱ52.5 級(jí)別水泥462kg、砂634kg、碎石1080kg、粉煤灰32kg、礦渣粉42kg、減水劑12.6kg、水137kg。 澆筑時(shí)即開展溫度測(cè)試，測(cè)點(diǎn)分別位于合攏段正中斷面腹板中心、頂板頂面以及內(nèi)腔橫隔板表面，測(cè)試始于澆筑，時(shí)長約為7天。

2 計(jì)算理論

2.1 水化溫度及應(yīng)力計(jì)算原理

溫度計(jì)算采用瞬態(tài)熱傳導(dǎo)基本方程[10]，描述如下：

式中：T 為瞬時(shí)溫度；t 為時(shí)間；λ 為導(dǎo)熱系數(shù)；ρ 為密度；c 為比熱容；Q 為生熱函數(shù)；Tabs為絕熱溫升；m 為水化速率參數(shù)。

早齡期混凝土材料特性具有時(shí)變特征， 表現(xiàn)為彈性模量、抗拉強(qiáng)度隨時(shí)間增長以及徐變效應(yīng)。 文獻(xiàn)[10]提供的彈性模量以及抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式具有較好的擬合精度，應(yīng)用范圍較廣：

式中，E(t)、ftk(t)為等效齡期t 時(shí)刻的彈性模量與抗拉強(qiáng)度，Ec、 ftk分別為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 天彈性模量與抗拉強(qiáng)度，βcc為材料特性隨齡期發(fā)展速率參數(shù)；te為等效齡期，n 為時(shí)間區(qū)段的劃分?jǐn)?shù)量，Ti為第i 區(qū)段的溫度，Δti為區(qū)段時(shí)長。

早齡期徐變效應(yīng)顯著，本文選用文獻(xiàn)[1]提供的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：

式中，C(t，τ)為τ 時(shí)刻加載至t 時(shí)刻的徐變度，其中C1=0.23/Ec，C1=0.52/Ec。

由于材料時(shí)變以及徐變效應(yīng)復(fù)雜， 應(yīng)力計(jì)算采用增量法予以實(shí)現(xiàn)，該方法不需要記錄應(yīng)力歷史，在有限元軟件中易于實(shí)現(xiàn)[1]。

2.2 有限元模型及參數(shù)選取

采用大型通用有限元軟件ANSYS 建立連續(xù)兩節(jié)懸臂段與合攏段的1/4 模型，忽略平曲線，模型縱橋向長度為9m，在懸臂段端部施加彈性支承，在對(duì)稱面施加對(duì)稱約束。 彈性支承剛度按照桿系模型中的水平抗推剛度計(jì)入，模型如圖3 所示。

圖3 有限元模型圖

溫度計(jì)算與應(yīng)力計(jì)算采用相同網(wǎng)格模型， 溫度計(jì)算采用試算方法，通過調(diào)整參數(shù)取值，使計(jì)算值逐漸趨近于實(shí)測(cè)值。 識(shí)別的絕熱溫升為67.4℃、 水化熱釋放系數(shù)為2.5， 導(dǎo)熱系數(shù)為2.33W/(m2·℃)， 表面對(duì)流系數(shù)為14W/(m2·℃)、內(nèi)腔對(duì)流系數(shù)為8W/(m2·℃)。

3 水化溫度效應(yīng)分析

以溫度試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)， 開展溫度擬合以及應(yīng)力場計(jì)算工作，明確溫度與溫度應(yīng)力規(guī)律。

3.1 溫度分析

溫度測(cè)試結(jié)果表明，箱梁具有較高的水化溫升效應(yīng)，最高溫度達(dá)到77.4℃，相較于平均入模溫度28℃，整體升高了約49.4℃。 且水化反應(yīng)具有較高的速率，澆筑后約1日即達(dá)到溫峰，擬合得到的水化熱釋放系數(shù)為2.5，也是遠(yuǎn)高于相關(guān)文獻(xiàn)的研究結(jié)論的[11-12]。 澆筑后第7 日，內(nèi)部與表面溫度基本上下降至環(huán)境溫度。 擬合結(jié)果表明，推定參數(shù)組對(duì)于溫度擬合具有較好的精度， 可以較好地模擬內(nèi)部溫度、表面溫度以及內(nèi)腔溫度。 溫度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖4 所示。

從溫度場的分布來看，合攏段具有整體溫度偏高、分布不均勻的情況。 腹板位置溫度最高，溫度介于73～78℃之間，橫隔板次之，溫度介于68～73℃之間，外部與大氣接觸區(qū)域溫度略低，溫度介于43～48℃之間，內(nèi)表溫差達(dá)到30℃，如圖5 所示。

圖4 合攏段溫度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

3.2 應(yīng)力分析

在較高溫升及不均勻溫度場的作用下， 極有可能產(chǎn)生較高的受拉應(yīng)力，對(duì)合攏段的應(yīng)力場進(jìn)行分析，挑選第4 日、第7 日應(yīng)力場匯總示于圖6。

橫向應(yīng)力分析表明，橫隔板第4 日處于受壓狀態(tài)，壓應(yīng)力約為0.8～2MPa，后逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，在第7 日降溫后，人孔頂部橫隔板全斷面拉應(yīng)力達(dá)到2.2～2.5MPa，具有一定的開裂風(fēng)險(xiǎn)。

縱向應(yīng)力分析表明， 箱梁斷面在第4 日處于受壓狀態(tài)，壓應(yīng)力約為0.2～1.4MPa，后逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，腹板與底板拉應(yīng)力達(dá)到1.6～3.3MPa。

圖5 合攏段溫峰時(shí)刻溫度場分布

圖6 合攏段應(yīng)力場分布

橫向應(yīng)力與縱向應(yīng)力分布符合一般水化溫度應(yīng)力的發(fā)展趨勢(shì)，合攏段升溫和降溫過程中，橫向上受已經(jīng)澆筑節(jié)段的約束，縱向上受剛構(gòu)體系的約束，產(chǎn)生約束應(yīng)力效應(yīng)。 前期升溫，主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力，后期降溫，主要表現(xiàn)為拉應(yīng)力，由于彈性模量逐漸增大，后期產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過前期產(chǎn)生的壓應(yīng)力，故最終應(yīng)力表現(xiàn)為受拉應(yīng)力。

此外，箱室內(nèi)部存在一定的不均勻溫度場，底板上緣出現(xiàn)了較高的縱向應(yīng)力，達(dá)到3.6MPa，由于合攏束張拉于第4 日，產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力達(dá)到10.2MPa，可能抵消了該縱向受拉效應(yīng)，故現(xiàn)場并未發(fā)現(xiàn)裂縫產(chǎn)生。

4 參數(shù)影響分析

探討絕熱溫升、 外表對(duì)流系數(shù)以及入模溫度措施對(duì)絕熱溫升以及應(yīng)力產(chǎn)生的影響， 為工藝措施制定提供參考。

4.1 對(duì)絕熱溫升的影響

背景工程絕熱溫升為67.4℃， 外表對(duì)流系數(shù)為14W/(m2·℃)，入模溫度為28℃，通過增加或減小參數(shù)取值，討論其對(duì)絕熱溫升產(chǎn)生的影響，計(jì)算結(jié)果如圖7 所示。

計(jì)算表明：(1)絕熱溫升下降或者上升10℃，最高溫度下降或上升約7.3～7.4℃；(2)外表對(duì)流系數(shù)下降以及上升，對(duì)最高溫度的影響不大，在0.6～1.7℃之間；(3)入模溫度下降或者上升5℃，最高溫度下降或上升約3.9～4.0℃。

4.2 對(duì)橫向應(yīng)力的影響

橫向應(yīng)力提取點(diǎn)為人孔上方橫隔板， 繪制不同參數(shù)對(duì)應(yīng)的最大橫向應(yīng)力沿時(shí)間發(fā)展曲線，如圖8 所示。

圖7 不同參數(shù)情況下絕熱溫升計(jì)算值的對(duì)比

圖8 不同參數(shù)情況下橫向應(yīng)力計(jì)算值的對(duì)比

從應(yīng)力分布可以看出，絕熱溫升越小，前期的受壓應(yīng)力以及后期的受拉應(yīng)力也就越小， 絕熱溫升下降或者上升10℃，最大橫向拉應(yīng)力下降或提高0.5MPa，基本上呈線性關(guān)系。

在對(duì)流較小時(shí)，前期壓應(yīng)力也相對(duì)較小，對(duì)流系數(shù)對(duì)最終應(yīng)力影響不大， 這可能是對(duì)流系數(shù)對(duì)內(nèi)部溫度本身影響較小的緣故。

入模溫度對(duì)前期的壓應(yīng)力影響較小， 后期隨著降溫幅度的增大，受拉應(yīng)力表現(xiàn)出不同的分布趨勢(shì)，入模溫度越小，最大拉應(yīng)力水平越低，入模溫度下降或者上升5℃，最大橫向拉應(yīng)力下降或提高0.5MPa，基本上呈線性關(guān)系。

4.3 對(duì)縱向應(yīng)力的影響

縱向應(yīng)力提取點(diǎn)為底板上方最大應(yīng)力點(diǎn)， 繪制不同參數(shù)對(duì)應(yīng)的最大縱向應(yīng)力沿時(shí)間發(fā)展曲線，如圖9 所示。

圖9 不同參數(shù)情況下縱向應(yīng)力計(jì)算值的對(duì)比

不同參數(shù)對(duì)縱向應(yīng)力產(chǎn)生的影響與對(duì)橫向應(yīng)力產(chǎn)生的影響相同，表現(xiàn)在：絕熱溫升下降或者上升10℃，最大橫向拉應(yīng)力下降或提高0.4MPa； 對(duì)流對(duì)最終應(yīng)力影響不大；入模溫度下降或者上升5℃，最大橫向拉應(yīng)力下降或提高0.4MPa。

5 結(jié)語

通過對(duì)某剛構(gòu)橋梁合攏段開展溫度測(cè)試， 結(jié)合有限元分析方法，對(duì)溫度及溫度應(yīng)力開展研究，結(jié)果表明：

(1)合攏段內(nèi)部最高溫度可達(dá)到77.4℃，具有較高的溫升效應(yīng)，且溫度上升速率較快，在1 天內(nèi)即可到達(dá)最高溫度；

(2)合攏段橫向受已澆筑節(jié)段約束，縱向受剛構(gòu)體系約束，在水化溫度影響下，橫隔板內(nèi)部可能產(chǎn)生較大的橫向受拉應(yīng)力，底板可能產(chǎn)生較大的縱向受拉應(yīng)力；

(3)增加或者減小絕熱溫升、提高或者降低入模溫度，對(duì)內(nèi)部最高溫度影響顯著，改變表面對(duì)流系數(shù)，對(duì)內(nèi)部最高溫影響較小；

(4)減小絕熱溫升、降低入模溫度可以有效改善橫向受拉應(yīng)力和縱向受拉應(yīng)力， 改變表面對(duì)流系數(shù)對(duì)受拉應(yīng)力的改善作用較小。

綜上所述， 剛構(gòu)體系箱梁橋合攏段具有較高的水化溫升，可能導(dǎo)致早期開裂現(xiàn)象，可通過減小絕熱溫升、降低入模溫度減小受拉應(yīng)力。 本文結(jié)論可以為質(zhì)量控制提供參考借鑒。