張萬朋，劉 文，張文學(xué)，吳淑康

(1.北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院,北京 100124；2.中建交通建設(shè)集團(tuán)有限公司,北京 100142)

0 引言

現(xiàn)代混凝土連續(xù)梁橋及斜拉橋普遍采用分段現(xiàn)澆施工工藝，隨著高強(qiáng)混凝土的應(yīng)用越來越廣泛，橋梁的建設(shè)并投入使用后其病害問題也日益突出，常見的病害包括混凝土碳化、鋼筋銹蝕、不均勻沉降、非結(jié)構(gòu)裂縫等，而合龍段交界處開裂問題時(shí)常出現(xiàn)。合龍段作為橋梁的重要組成部分，其頂板開裂將影響行車的舒適，裂縫的發(fā)展會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的正常使用和耐久性產(chǎn)生不利的影響，影響橋梁的使用壽命[1-4]。

相關(guān)學(xué)者對(duì)新老混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，張菊輝、季佳鳳、姜海波、沙建芳等對(duì)新老混凝土的界面性能進(jìn)行了研究，研究表明：新混凝土強(qiáng)度對(duì)新老混凝土界面的黏結(jié)性能的影響有限，人工鑿毛、高壓水射、露骨劑等是提高新老混凝土黏結(jié)強(qiáng)度的有效處理方式[5-8]。聶建國(guó)通過對(duì)加寬混凝土舊橋的研究，表明了新老混凝土界面的極限抗剪強(qiáng)度由混凝土強(qiáng)度，界面粗糙程度和摩擦系數(shù)共同確定[9]。針對(duì)合龍段開裂的問題，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者開展了研究。李浩等[10]針對(duì)現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁后澆濕接縫的開裂問題，采用Midas/FEA分析了在混凝土收縮作用下的應(yīng)力場(chǎng)，并對(duì)不同的預(yù)應(yīng)力張拉方案進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，在混凝土澆注后第3 d時(shí)需進(jìn)行預(yù)應(yīng)力的張拉以降低混凝土拉應(yīng)力。許大晴等[11]以某矮塔斜拉橋?yàn)楸尘?，分析了混凝土齡期差對(duì)結(jié)合面受力性能的影響，并指出因混凝土收縮產(chǎn)生的橫向拉應(yīng)力較大不可忽視。然而目前對(duì)于合龍段開裂的研究大都只分析混凝土本身的收縮效應(yīng)，而考慮合龍段與相鄰節(jié)段混凝土之間的相互作用，從新老混凝土收縮不同步角度出發(fā)對(duì)合龍段影響以及改進(jìn)措施的研究較少。因此，本研究以某連續(xù)梁橋合龍段為工程背景，利用ANSYS有限元軟件建立合龍段加相鄰節(jié)段新老混凝土結(jié)構(gòu)模型，分析在合龍段與相鄰節(jié)段混凝土不均勻收縮情況下合龍段頂板的應(yīng)力狀態(tài)并提出了改進(jìn)措施，對(duì)實(shí)際施工過程有重要指導(dǎo)意義。

1 依托工程及建模

1.1 依托工程概況

以某混凝土連續(xù)梁橋合龍段為工程背景展開研究。該工程在合龍段混凝土澆注完成一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)合龍段頂板處出現(xiàn)橫橋向裂縫，其中合龍段與相鄰節(jié)段交界處裂縫尤為突出。該類裂縫的產(chǎn)生是由于合龍段混凝土與相鄰節(jié)段混凝土之間存在齡期差導(dǎo)致的不均勻收縮，在新澆注的合龍段頂板處產(chǎn)生的非結(jié)構(gòu)裂縫，這將影響橋面板之后的正常工作，影響結(jié)構(gòu)的耐久度。在該工程合龍段與相鄰節(jié)段的新老混凝土結(jié)構(gòu)中，合龍段長(zhǎng)度為3.14 m，主梁采用W形腹板截面，頂板寬39.7 m，底板寬18 m，中心處箱梁高3.5 m，頂板厚30 cm，底板厚35 cm，外側(cè)斜腹板厚40 cm，內(nèi)側(cè)斜腹板厚30 cm，箱梁截面如圖1所示。

圖1 箱梁截面 (單位：cm)

1.2 有限元模型建立

根據(jù)工程實(shí)際情況，利用ANSYS有限元軟件建立合龍段與相鄰節(jié)段實(shí)體有限元模型，進(jìn)行收縮模擬分析?；炷两Y(jié)構(gòu)均采用8節(jié)點(diǎn)SOLID45實(shí)體單元進(jìn)行建模，合龍段新老混凝土接觸面處節(jié)點(diǎn)完全耦合；預(yù)應(yīng)力鋼筋選用LINK8單元模擬，采用節(jié)點(diǎn)耦合法連接混凝土結(jié)構(gòu)， 并采用初應(yīng)變法模擬預(yù)應(yīng)力荷載。為了更好地研究新澆注混凝土的收縮應(yīng)力，在網(wǎng)格劃分時(shí)對(duì)合龍段作局部加密處理。混凝土溫度線膨脹系數(shù)α=1.0×10-5/℃，泊松比為γ=0.2，混凝土相對(duì)密度ρ=2 450 kg/m3，有限元模型如圖2所示。

圖2 合龍段與相鄰節(jié)段有限元模型

利用混凝土熱脹冷縮的物理性質(zhì)，采用“等效降溫法”模擬混凝土的收縮[12-14]。將其收縮應(yīng)變等效換算為施加在混凝土上的溫度載荷，如式(1)所示：

εsh(t,ts)=α·ΔT,

(1)

式中,εsh(t,ts)為t時(shí)刻混凝土收縮應(yīng)變;ts為收縮開始時(shí)混凝土齡期；α為混凝土的線膨脹系數(shù)；ΔT為換算得到的當(dāng)量溫差。

1.3 材料參數(shù)模型

(1)彈性模量計(jì)算模型：混凝土彈性模量作為評(píng)價(jià)混凝土結(jié)構(gòu)、構(gòu)件變形特征的重要力學(xué)參數(shù)，其量值隨水化作用的進(jìn)行而逐漸增長(zhǎng)，最終趨于定值。對(duì)于新澆注混凝土彈性模量的計(jì)算，本研究采用歐洲CEB—FIP90[15]模式規(guī)范建議的式(2)：

(2)

式中，Ec,28為齡期為28 d混凝土的彈性模量；S取決于水泥品種，普通硅酸鹽水泥取0.25。合龍段與相鄰節(jié)段有限元模型中混凝土等級(jí)均為C55，其Ec,28取3.55×104MPa。

(2)混凝土收縮計(jì)算模型：由于常用的混凝土收縮應(yīng)變預(yù)測(cè)模型規(guī)定混凝土收縮開始齡期為3～7 d，而混凝土收縮絕大部分是在早期完成的[16]。因此，常用的混凝土收縮應(yīng)變模型不能用來預(yù)測(cè)混凝土的早期收縮應(yīng)變。本研究采用在《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362—2018)[17]收縮應(yīng)變預(yù)測(cè)模型的基礎(chǔ)上提出的可考慮混凝土早期收縮應(yīng)變的預(yù)測(cè)模型[18]。

ε(t)=εsh,∞·S(t)，

(3)

(4)

式中，ε(t)為計(jì)算齡期t時(shí)混凝土的收縮應(yīng)變值，無量綱；t為混凝土收縮齡期；εsh,∞為按公路鋼筋混凝土及預(yù)橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范《應(yīng)力混凝土》(JTG 3362—2018)計(jì)算得到的混凝土收縮終值；S(t)為混凝土收縮應(yīng)變隨時(shí)間變化函數(shù)?；炷潦湛s應(yīng)變曲線如圖3所示。

圖3 混凝土收縮應(yīng)變曲線

2 合龍段混凝土縱向開裂成因及影響因素分析

2.1 縱向開裂成因分析

根據(jù)實(shí)際工程，由于橋梁合龍段與相鄰節(jié)段混凝土存在一定齡期差，若合龍段與相鄰節(jié)段澆注間隔的齡期差較長(zhǎng)，則會(huì)產(chǎn)生新老混凝土結(jié)合部位收縮不同步問題。合龍口兩側(cè)混凝土齡期差的存在會(huì)使新澆注混凝土的收縮受到兩側(cè)老混凝土的約束，在新澆注混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，進(jìn)而引起合龍段混凝土縱向開裂。以實(shí)際齡期差60 d為例，分析得合龍段新澆注混凝土的收縮應(yīng)力云圖如圖4所示；混凝土有無齡期差時(shí)的收縮應(yīng)變曲線如圖5所示。由圖4和圖5可知：

圖4 新澆注合龍口收縮應(yīng)力云圖

圖5 不同條件下接觸面混凝土收縮應(yīng)變

(1)新澆注合龍口與相鄰節(jié)段混凝土在齡期差60 d與不存在齡期差的情況下相比，早期收縮應(yīng)力明顯較大。

(2)在老混凝土的約束作用下，新澆注混凝土處于受拉狀態(tài)；齡期差60 d時(shí)合龍口混凝土的早期收縮應(yīng)力基本由新老混凝土收縮效應(yīng)所引起，其中對(duì)接觸面收縮應(yīng)力的影響更為顯著。

(3)混凝土自由收縮與受約束收縮應(yīng)變的差值在齡期9 d后大于規(guī)范規(guī)定C55混凝土的極限拉應(yīng)變112 εμ ，這是實(shí)際工程發(fā)生縱向開裂的重要原因。

2.2 新老混凝土齡期差影響

由于合龍段混凝土澆注之前，相鄰節(jié)段的混凝土已經(jīng)澆注完成，這樣合龍段與相鄰節(jié)段混凝土存在齡期差，形成新老混凝土結(jié)構(gòu)。實(shí)際工程中齡期差不可避免，為研究不同齡期差對(duì)合龍段新澆注混凝土頂板收縮應(yīng)力的影響，在齡期差為7，14，30和60 d的情況下，提取合龍段頂板跨中的數(shù)據(jù)對(duì)新澆注混凝土14 d齡期的收縮應(yīng)力進(jìn)行分析，收縮應(yīng)力如圖6～7所示。由圖6和圖7可知：

圖6 不同齡期差x向收縮應(yīng)力

圖7 混凝土早期最大收縮應(yīng)力

(1)隨著相鄰節(jié)段與合龍段混凝土的齡期差增大，合龍段早期收縮應(yīng)力也隨之增大。

(2)30 d齡期差內(nèi)的收縮應(yīng)力變化明顯，相比7 d齡期差增加43.15%；60 d齡期差下的收縮應(yīng)力相比30 d齡期差僅增加3.68%。

(3)在齡期差較大時(shí)增加，收縮應(yīng)力的增加不明顯；這是由于隨著齡期差的增大，相鄰節(jié)段混凝土收縮趨于穩(wěn)定。

(4)工程中齡期差不可避免的情況下可以認(rèn)為齡期差≤7 d可以認(rèn)為是連續(xù)澆注，對(duì)混凝土收縮影響較好。

2.3 結(jié)構(gòu)尺寸影響

為分析箱梁橫向?qū)挾葘?duì)其早期收縮應(yīng)力影響，以合龍段與相鄰節(jié)段的齡期差14 d為例，分別取箱梁寬度10，20，30，40和50 m，在ANSYS中提取合龍段頂板跨中的數(shù)據(jù)對(duì)新澆注混凝土的收縮應(yīng)力進(jìn)行定量分析。圖8和圖9為不同箱梁寬度情況下的合龍段混凝土頂板跨中14 d齡期的早期收縮應(yīng)力曲線。由圖8和圖9可知：

圖8 不同箱梁寬度下的x向收縮應(yīng)力

圖9 不同箱梁寬度下的x向最大收縮應(yīng)力

(1)箱梁橫向?qū)挾葘?duì)其早期收縮應(yīng)力有較大影響；隨著箱梁寬度的增加，新澆注合龍段的早期最大收縮應(yīng)力也隨之增加。

(2)在箱梁寬度小于30 m時(shí)，寬度對(duì)其早期收縮應(yīng)力的影響變化明顯；20 m，30 m的最大收縮應(yīng)力相比10 m時(shí)增加33.6%～48.2%。

(3)在箱梁寬度大于30 m時(shí)，收縮應(yīng)力的增加隨寬度的增加不明顯；40 m，50 m的最大收縮應(yīng)力相比30 m時(shí)僅增加4.8%～7.9%。

3 縱向開裂改善措施

合龍段混凝土的縱向開裂受齡期差和箱梁寬度因素影響，在實(shí)際工程中這些因素不可避免。在此基礎(chǔ)上為更好地改善合龍段混凝土的縱向開裂問題，提出采用延遲張拉合龍口兩側(cè)梁端橫向預(yù)應(yīng)力和相鄰節(jié)段混凝土灑水潤(rùn)濕的措施。

3.1 預(yù)留不同數(shù)量預(yù)應(yīng)力筋延遲張拉情況下的收縮應(yīng)力模擬

在預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋施工過程中，一般按順序依次完成各節(jié)段的混凝土澆注，并進(jìn)行縱、橫向預(yù)應(yīng)力張拉。在合龍段混凝土澆注前，各懸臂節(jié)段的橫向預(yù)應(yīng)力均已張拉完畢；最后澆注合龍段并張拉橫向預(yù)應(yīng)力筋。結(jié)合這一施工過程分析可知，由于合龍段澆注前相鄰節(jié)段的橫向預(yù)應(yīng)力筋已經(jīng)全部張拉完畢，使得合龍段混凝土收縮時(shí)受到兩側(cè)混凝土的約束作用變大，產(chǎn)生較大的收縮應(yīng)力。

為提高合龍段混凝土的早期抗裂的效果，減少新澆注混凝土早期收縮應(yīng)力，考慮調(diào)整已澆注梁段橫向預(yù)應(yīng)力張拉順序，來減少合龍段的早期收縮應(yīng)力。具體方法是預(yù)留合龍段附近已澆注梁段一定長(zhǎng)度內(nèi)的橫向預(yù)應(yīng)力不進(jìn)行張拉，等合龍段混凝土澆注后大概2 d再?gòu)埨?/p>

按照工程實(shí)際情況，建立相鄰節(jié)段混凝土澆注完成60 d后，再澆注合龍段混凝土的新老混凝土收縮有限元模型。合龍段兩側(cè)各預(yù)留橫向預(yù)應(yīng)力筋的數(shù)量分別取1束、2束、4束、6束(1個(gè)合龍段長(zhǎng)度) 、12束(2個(gè)合龍段長(zhǎng)度)、 18束(3個(gè)合龍段長(zhǎng)度) 和24束(4個(gè)合龍段長(zhǎng)度) ，在ANSYS中進(jìn)行定量分析。圖10為兩側(cè)預(yù)留不同數(shù)量預(yù)應(yīng)力束延遲張拉對(duì)合龍段新澆注混凝土的收縮應(yīng)力影響曲線。由圖10可知：

圖10 預(yù)留不同數(shù)量預(yù)應(yīng)力筋延遲張拉情況下的收縮應(yīng)力對(duì)比

(1)預(yù)留橫向預(yù)應(yīng)力筋延遲張拉對(duì)減少新澆注混凝土的早期收縮應(yīng)力有明顯作用；隨著預(yù)留預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量的增加，新澆注合龍段頂板跨中處的早期收縮應(yīng)力明顯減小。

(2)合龍段兩側(cè)預(yù)留的預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量從1束到18束(3個(gè)合龍段長(zhǎng)度)時(shí)，新澆注混凝土的收縮應(yīng)力下降比較明顯，減少9.4%～30.4%。

(3)當(dāng)預(yù)留的預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量大于18束(3個(gè)合龍段長(zhǎng)度)時(shí)，新澆注混凝土的收縮應(yīng)力改善不明顯。

(4)在合龍段兩側(cè)預(yù)留2～3個(gè)合龍段長(zhǎng)度的預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行延遲張拉，對(duì)其早期橫向收縮應(yīng)力有明顯改善作用。

3.2 相鄰節(jié)段灑水潤(rùn)濕情況下收縮應(yīng)力模擬

為進(jìn)行灑水潤(rùn)濕后的合龍段收縮應(yīng)力有限元模擬。通過混凝土潤(rùn)濕膨脹試驗(yàn)，對(duì)收縮完成后的混凝土試件烘干后進(jìn)行浸泡潤(rùn)濕至不發(fā)生變化，接著在自然狀態(tài)下陰干，得到圖11所示的試件浸泡時(shí)間與膨脹率關(guān)系曲線。由圖11可知，潤(rùn)濕膨脹曲線為：

圖11 浸泡時(shí)間與膨脹率關(guān)系

Pz(t)=2.002 8×t×10-5，

(5)

式中，pz(t)為浸泡時(shí)間t時(shí)的混凝土膨脹應(yīng)變值，無量綱；t為浸泡時(shí)間。

在合龍段混凝土澆注前，對(duì)相鄰節(jié)段進(jìn)行灑水潤(rùn)濕，這不僅有利于混凝土澆注后的緊密黏結(jié)，還能使相鄰節(jié)段膨脹后進(jìn)行二次收縮來改善新澆注混凝土的收縮應(yīng)力。因此，按照工程實(shí)際情況，建立相鄰節(jié)段混凝土澆注完成60 d后，再澆注合龍段混凝土的新老混凝土收縮有限元模型。研究在兩側(cè)預(yù)留3個(gè)合龍段長(zhǎng)度預(yù)應(yīng)力筋延遲張拉的情況下，再對(duì)相鄰節(jié)段混凝土潤(rùn)濕不同時(shí)長(zhǎng)，合龍段新澆注混凝土的收縮應(yīng)力狀況。由于混凝土在灑水濕潤(rùn)之前收縮主要包括自身收縮和干縮，在齡期60 d后收縮基本穩(wěn)定，灑水膨脹后的二次收縮只包括干燥收縮，因此膨脹后二次收縮速率要比灑水濕潤(rùn)前的早期收縮率要小[19]。本研究取膨脹后二次收縮速率為1/3，以潤(rùn)濕12，24和36 h為例進(jìn)行定量分析，通過升溫法實(shí)現(xiàn)混凝土膨脹。圖12為不同潤(rùn)濕時(shí)間對(duì)新澆注混凝土早期收縮應(yīng)力的影響曲線。由圖12可知：

圖12 潤(rùn)濕時(shí)間不同情況下的收縮應(yīng)力對(duì)比

(1)在合龍段兩側(cè)預(yù)留3個(gè)合龍段長(zhǎng)度的預(yù)應(yīng)力筋延遲張拉基礎(chǔ)上，相鄰節(jié)段混凝土進(jìn)行灑水潤(rùn)濕對(duì)新澆注混凝土的收縮應(yīng)力有較大影響。

(2)隨著潤(rùn)濕時(shí)間的增加，新澆注合龍段頂板跨中處的早期收縮應(yīng)力明顯減小。在不同潤(rùn)濕時(shí)間12，24和36 h的條件下，新澆注混凝土收縮應(yīng)力減少15.3%～45.7%。

(3)在合龍段澆注前對(duì)相鄰節(jié)段進(jìn)行灑水潤(rùn)濕，將對(duì)新澆注混凝土的早期橫向收縮應(yīng)力有明顯改善作用。

4 結(jié)論

通過對(duì)橋梁合龍段新老混凝土接頭部位收縮應(yīng)力模擬，得出如下主要結(jié)論：

(1)老混凝土對(duì)新澆注混凝土收縮的約束作用使新澆注合龍段接頭部位產(chǎn)生拉應(yīng)力，如果不能很好地加以控制將對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性造成不利影響。

(2)新澆注合龍段內(nèi)部的收縮應(yīng)力會(huì)隨新老混凝土齡期差和箱梁寬度的增大而增大，最后趨于穩(wěn)定。當(dāng)箱梁寬度已定，在滿足實(shí)際施工要求的前提下，應(yīng)盡量縮短澆注齡期差，將新老混凝土齡期差控制在7 d以內(nèi)。

(3)保留合龍段兩側(cè)L=min{0.5B，2l}范圍內(nèi) (B為橋面寬度，l合龍段長(zhǎng)度)的箱梁橫向預(yù)應(yīng)力束暫不張拉，待合龍段澆注完第2 d在進(jìn)行張拉，可有效減少合龍段新澆注混凝土的早期收縮應(yīng)力。

(4)合龍段澆注前1 d，對(duì)合龍口兩側(cè)3l范圍內(nèi)梁體進(jìn)行提前灑水潤(rùn)濕使其預(yù)先膨脹，合龍段混凝土澆注后合龍段兩側(cè)混凝土結(jié)構(gòu)陰干收縮可有效降低既有混凝土對(duì)新澆注混凝土收縮的約束，降低新澆注混凝土收縮應(yīng)力。

(5)針對(duì)合龍段新老混凝土結(jié)合部位收縮開裂問題，可以通過縮短齡期差、延遲張拉老混凝土內(nèi)的橫向預(yù)應(yīng)力筋、提前對(duì)合龍段附近節(jié)段進(jìn)行灑水潤(rùn)濕等綜合措施來減少裂縫的產(chǎn)生。