盛慧雄,袁建偉,楊 俐

(1.長沙理工大學 土木建筑學院,長沙 410076;2.湘潭大學 土木工程與力學學院,湘潭411105)

0 引 言

橋梁的的早期收縮是造成橋梁早期裂縫的一個重要因素,故現(xiàn)在存在很多學者對橋梁的早期收縮問題進行研究.混凝土收縮是混凝土材料本身固有的時變特性,會導致混凝土結構受力與變形隨時間的變化而變化[1-3].而橋梁是以混凝土為主要構造材料.

一些學者開始對混凝土的早期收縮進行研究.我國學者巴恒靜等為了研究水泥用量、水灰比等混凝土內部因素對混凝土早期收縮的影響,建立了水泥石結構形成與混凝土早期收縮模型[4].還有我國學者王鐵夢研究了混凝土的早期收縮與裂縫的關系[5].但是,他們對混凝土早期收縮都只局限于在實驗室對試塊的早期收縮進行研究,而沒有應用到實際工程中.本文將該方法引用到連續(xù)剛構橋,初步探討高性能混凝土早期收縮對混凝土橋梁的影響.

1 當量溫差對橋梁首跨的早期收縮

1.1 “早期”的界定

因為混凝土的收縮變形過程是連續(xù)的,在時間上并沒有明確的界限,故導致我們定義早期收縮的時候,只能憑自己主觀的看法.有國外學者,如E.Hot和M.Leivo把混凝土從澆筑開始后的24 h作為早期,這一時期的混凝土處在凝結硬化當中;相應地把混凝土24 h以及以后的齡期稱為后期(或長期).此外,還有把混凝土從澆筑到溫度變化過程穩(wěn)定這段時間稱為早期.在國內,錢曉倩教授等研究發(fā)現(xiàn),伴隨著水泥的水化,混凝土的干燥收縮和自收縮在1 d以內發(fā)展最快,3 d以內發(fā)展較快,3 d之后趨緩[6-7].

目前橋梁施工以及建筑施工中,人們一般只關注混凝土的最終收縮值,但是導致混凝土早期裂縫產生的因素包括溫度、濕度、徐變等.對于普通混凝土來說,干縮占主導;對于高性能混凝土來說,由于一些外加劑加入,自收縮占主導.

1.2 當量溫差法計算原理[5]

(1)混凝土收縮值:

式中 ey(t)——各齡期混凝土收縮值;

t——混凝土澆筑后至計算時的天數;

ε′y — —標準狀態(tài)下最終收縮值 ,ε′y=3.24 ×10-4;

e——常數 ,取 e=2.718;

M1、M2、…Mn——考慮各種非標準條件下的修正系數.

(2)混凝土收縮當量溫差:

式中 Ty(t)——混凝土收縮當量溫差;

α——混凝土線膨脹系數,α=1.0×10-5

(3)計算溫差值:

式中 T′d(t)——混凝土各齡期溫差值.

然而,在混凝土收縮的當量溫差中 T=T1+T2+T3,其中,由混凝土水化熱升溫導致當量溫差為T1,由大氣溫度導致的當量溫差為 T2,有混凝土收縮導致的當量溫差為T3.由這三部分構成混凝土的當量溫差.

2 算例

2.1 工程背景

水道擬建橋位處現(xiàn)況河道寬度約240 m,航道等級為III級,一孔雙向通航凈寬為150 m,凈高10 m,設計最高通航水位3.70(85高程),洪水重現(xiàn)期為20年.河道設巡河路,巡河路凈寬6 m,凈空4.5 m.

水道東側支流名為律涌,擬建橋位處現(xiàn)況河道寬度約90 m,航道等級為VI級,通航凈寬40 m,凈高6 m,設計最高通航水位3.70(85高程),洪水重現(xiàn)期為20年.河道設巡河路,巡河路凈空4.5 m.

水道主橋主梁采用三跨變截面懸臂澆注預應力混凝土連續(xù)剛構,跨徑為110+180+110=400 m.半幅橋梁寬15.6 m,橋梁面積12480 m2.

2.2 有限元模型

本文的有限元分析是利用ANSYS有限元軟件進行模擬,選取橋梁的首跨作為代表分析.本文中為了以避免大量模型建立時的重復操作,主要采用ANSYS命令流建立模型.模型材料選取與實際相近的SOLID95和LINK8單元來模擬混凝單元和鋼筋單元[8].

考慮橋梁的邊界條件,橋墩底用固端表示,混凝土自重取g=9.8,且考慮的是橋梁首跨在沒有張拉之前的混凝土收縮.根據當量溫差計算公式,得出混凝土的溫差為T=-5.7℃.

首跨的有限元模型如圖1所示.

圖1 首跨有限元實體模型

實驗研究中,選擇的應變測量點如圖2所示.

圖2 橋梁應變控制點布置截面圖

2.3 橋梁首跨早期收縮測量結果及分析

為了考慮橋梁早期收縮與其時間的關系及收縮對橋梁收縮對裂縫的影響,本作者對上節(jié)點進行了觀測,結果如圖3所示.

圖3 各節(jié)點收縮應力變化圖

由圖3可以看出,在橋梁上個節(jié)點產生的收縮應力各不相同,1#、2#、3#節(jié)點布置在橋梁的頂板,其產生的應力在澆注后12～24 h內,收縮應力變化最大,且收縮值也達到最大.腹板的4#、8#節(jié)點,混凝土的收縮應力一直處于上升中,在24 h左右達到最大.底板5#、6#、7#應力值,跟頂板的變化趨勢相似.

以上測量結果顯示,第一,橋梁上早期收縮中,以腹板應力變化最大,說明混凝土早期收縮對其早期裂縫的產生有著重要的影響.第二,在橋梁混凝土早期收縮中,一般在澆注24 h內變化最為明顯,故橋梁應在此段時間內注意早期裂縫的防護.

2.4 結果對比

為了更好的研究橋梁的早期收縮,以便在以后對早期收縮值的大小可預見性.本文利用的ANSYS實體模型中一天后的橋梁早期混凝土的應力結果與實際測量結果進行對比分析,如圖4所示.

圖4 實測數據與ANSYS數據對比圖

在實際橋梁中,由于橋梁中混凝土接觸的環(huán)境比較復雜,故會出現(xiàn)和理論值不相符的結果.混凝土的早期收縮與環(huán)境的溫度和相對濕度有一定的關系,在有限元計算中,很難完全模擬當時的實際環(huán)境溫度和相對濕度變化.故導致ANSYS的計算值與實測值之間的數值存在的一定的差值.但從圖4可以看出其變化趨勢是一致的.

3 結 論

通過對橋梁的幾個節(jié)點測量和利用有限元進行模擬的結果,可得出一下結論:

(1)橋梁中高性能混凝土的早期收縮能產生較大的應力,且一般在混凝土澆注1 d之內產生,這能造成橋梁產生早期裂縫的產生.

(2)在橋梁截面各部分中,在早期以腹板產生的收縮應力最大,故在早期裂縫防治中應對其多注意.

(3)利用當量溫差原理來分析早期混凝土的收縮是比較簡便的方法之一,且可行.故可以利用此方法對橋梁等大體積構件的早期裂縫問題進行預測,以至于在施工中更好的避免其早期裂縫的產生.

[1]錢曉倩,詹樹林,等.減水劑對混凝土早期收縮和總收縮的影響[J].混凝土,2004,(5).

[2]張士鐸.橋梁設計理論[M].人民交通出版社,1984.

[3]沈蒲生.混凝土結構設計原理[M].高等教育出版社,2002.

[4]巴恒靜,等.寒冷地區(qū)負溫泵送混凝土與高強混凝土冬季施工技術研究[J].建筑技術,1997,(11):761.

[5]王鐵夢.建筑物的裂縫控制[M].上海:上?？茖W技術出版社,1987.

[6]E.Holt,M.Leivo.Cracking Risks Associated Withearly Age Shrinkage[M].Cement&Concrete Composites,2004.

[7]B.Glisic,N.Simon.Monito Ring of Concreteat Very early Age UsingStiff SOFO Sensor[Z].Ce-ment&Concrete Composites,2000.

[8]ANSYS中國公司.ANSYS高級分析技術指南[M].2000.