姜增國，姜 川, 郭玉峰，黃 濤

(1.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070;2.中建三局總承包公司，湖北 武漢 430070)

0 引 言

預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁張拉前產(chǎn)生裂縫是一個(gè)復(fù)雜、常見而又難以徹底根治的問題.近年來在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中橋梁的比重越來越大，預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁的使用隨著高強(qiáng)混凝土技術(shù)、預(yù)應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展成熟也很普遍.由于各種各樣的原因施工過程中預(yù)應(yīng)力T 梁張拉前在一些薄弱部位產(chǎn)生了貫穿裂縫而導(dǎo)致整片梁報(bào)廢的情況時(shí)有發(fā)生，造成了不小的經(jīng)濟(jì)損失.因此，對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁早期裂縫的研究顯得極有意義.

1 預(yù)制混凝土T 梁早期裂縫產(chǎn)生機(jī)理分析

預(yù)制混凝土T 梁的早期裂縫是在梁體拆模后張拉前出現(xiàn)的裂縫，這種裂縫產(chǎn)生的原因是多方面的[1-2]，但從本質(zhì)上講都是由于所產(chǎn)生的混凝土拉應(yīng)力超過自身的抗拉強(qiáng)度時(shí)引起的.而混凝土早期的抗拉強(qiáng)度和受拉彈性模量都是處于發(fā)展過程的，因此有必要預(yù)測早期混凝土抗拉強(qiáng)度和彈性模量隨齡期的發(fā)展規(guī)律.

1.1 T梁底座約束和沉降引起

由于臺(tái)座的地基承載力不足，臺(tái)座的強(qiáng)度、剛度偏小，澆注混凝土后臺(tái)座發(fā)生不均勻的沉降變形而引起臺(tái)座上的T 梁開裂[3].

梁體受到底模約束，在梁底與底模接觸面上因摩擦、粘結(jié)作用產(chǎn)生的剪力阻止梁體縮短，這等于使梁體受到拉伸，對(duì)底緣的拉伸大，向上漸減；其在梁長截面上引起的水平拉應(yīng)力也是底緣最大，向上漸減.此拉應(yīng)力由梁體混凝土及鋼筋的水平拉力來平衡，當(dāng)此拉應(yīng)力大于梁體混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，即產(chǎn)生豎向裂縫.40 m T 梁底板配筋率最高，其次為頂板，腹板配筋率最小，僅配置構(gòu)造鋼筋，故豎向裂縫一般出現(xiàn)在腹板部位.

1.2 溫度應(yīng)力

早齡期混凝土溫度應(yīng)力主要由兩個(gè)因素引起.一個(gè)是早期混凝土水化熱引起的溫度應(yīng)力，另一個(gè)是混凝土澆筑環(huán)境溫度變化引起的溫度應(yīng)力.

因混凝土水化熱引起的溫度應(yīng)力大體分為內(nèi)部約束應(yīng)力和外部約束應(yīng)力.內(nèi)部約束應(yīng)力是因?yàn)榛炷翜囟确植嫉牟黄胶饧s束了結(jié)構(gòu)體積的膨脹而發(fā)生的應(yīng)力.在水化反應(yīng)初期，混凝土表面溫度和內(nèi)部溫度差使混凝土表面發(fā)生張拉應(yīng)力；在溫度下降階段因?yàn)閮?nèi)部收縮變形大于表面，所以在混凝土內(nèi)部發(fā)生張拉應(yīng)力.內(nèi)部約束應(yīng)力的大小與結(jié)構(gòu)物內(nèi)外溫度差成比例.外部約束應(yīng)力是因?yàn)橥獠窟吔缂s束了正在澆筑的混凝土的溫度變形而發(fā)生的應(yīng)力.外部約束的影響與接觸表面的寬度和外部約束剛度有關(guān).

由于混凝土澆筑環(huán)境溫度發(fā)生變化，混凝土表面與內(nèi)部溫度出現(xiàn)差值，從而引起溫度應(yīng)力.一旦混凝土表面與內(nèi)部溫差達(dá)到一定數(shù)值，溫度應(yīng)力便有可能超過此時(shí)的混凝土抗拉強(qiáng)度，出現(xiàn)溫度裂縫.早齡期混凝土環(huán)境溫度變化主要指當(dāng)?shù)貢円箿夭?，因此是否?huì)產(chǎn)生溫度裂縫與氣候和地理環(huán)境有關(guān).

1.3 收縮應(yīng)力

預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁一般都是采用高強(qiáng)混凝土.高強(qiáng)混凝土配制時(shí)通常都使用較高的膠凝材料總量，并且摻加有大量磨細(xì)礦物摻合料，以達(dá)到高強(qiáng)度的目的.上述措施也引起了較大的混凝土自收縮.從混凝土新拌開始一直持續(xù)到混凝土硬化后的較長一段時(shí)間內(nèi)都有可能發(fā)生收縮，工程上表現(xiàn)為混凝土的開裂趨勢增加[4].

收縮是混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度隨水泥水化進(jìn)展而降低，造成毛細(xì)孔中的水分不飽和而生產(chǎn)壓力差.當(dāng)壓力差為負(fù)值時(shí)引起的收縮，水灰比很低的高強(qiáng)度混凝土能提供水泥水化的自由水較少，早期強(qiáng)度的發(fā)展率會(huì)使自由水消失很快，在外界補(bǔ)充水分不足的情況下，水泥水化不斷消耗水分而且干燥產(chǎn)生自身的原始裂縫.混凝土自收縮的大小與水灰比的大小、細(xì)摻料的活性、水泥細(xì)度等因素有關(guān)[5].

2 工程實(shí)例

湖北某高速公路特大橋位于恩施野三關(guān)處，該地屬云貴高原東北邊緣“鄂西高原”，亞熱帶大陸性夏熱潮濕氣候區(qū)，具明顯的大陸性氣候特征.四季分明，年平均氣溫16～17 ℃，七、八月為炎熱夏季，月平均氣溫為27 ℃，最高氣溫達(dá)41 ℃.該地晝夜溫差大，最高達(dá)15～20 ℃.

該橋上部結(jié)構(gòu)使用了40 m 預(yù)應(yīng)力混凝土先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)T 梁.T 梁的施工工藝均采用現(xiàn)場預(yù)制吊裝.T 梁混凝土等級(jí)為C50，在單幅橋橫斷面上布置為5片，全橋共135片.預(yù)制T 梁中部梁底厚40 cm，腹板厚20 cm，上翼緣兩邊厚8 cm，根部厚20 cm，翼板寬190 cm，共分布5 道對(duì)稱橫隔板.

某邊跨中梁(編號(hào)3-2)在澆筑后張拉前發(fā)現(xiàn)腹板出現(xiàn)兩條豎向裂縫.經(jīng)現(xiàn)場檢測，這兩條豎向裂縫均為貫穿裂縫.一條位于跨中處，裂縫長度約為220 cm，從腹板馬蹄形上部一直延伸至翼緣板底面中部；另一條位于1/4～1/2 跨之間，裂縫長度約為180 cm，從腹板馬蹄形上部開始一直延伸至翼緣板根部.如圖1.

圖1 邊跨中梁(編號(hào)3-2 T梁)立面及裂縫位置示意Fig.1 Elevation and crack distribution of central beam at side span (No. 3-2 T-beam)

經(jīng)現(xiàn)場踏勘，預(yù)制該T 梁的臺(tái)座并沒有出現(xiàn)不均勻沉降情況，且臺(tái)座表面為光滑的鋼板，摩擦系數(shù)小.因此T 梁底座約束和不均勻沉降這個(gè)原因可以排除.而用于澆筑該T 梁的高強(qiáng)混凝土的配合比同于此前澆筑的大量T 梁，這些T 梁并沒有出現(xiàn)由于配合比問題出現(xiàn)的收縮裂縫，該梁所產(chǎn)生的兩條豎向貫穿裂縫本身也不符合早期混凝土收縮裂縫的特征，故可以排除混凝土早期收縮應(yīng)力而引起這兩條裂縫.

進(jìn)一步查閱施工資料發(fā)現(xiàn)，該梁澆筑時(shí)間為2007年8月3日，此時(shí)正是該地區(qū)的高溫時(shí)段，而且晝夜溫差高達(dá)20 度左右.因此猜測該梁腹板出現(xiàn)的兩條豎向貫穿裂縫可能與溫差有關(guān).

下面建立有限元模型進(jìn)行模擬分析.

采用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件MIDAS/Civil 對(duì)T 梁澆筑后張拉前這段時(shí)間進(jìn)行模擬分析，主要分析T 梁澆筑后混凝土水化熱和澆筑環(huán)境溫度變化的影響.

模型采用實(shí)體單元，把40 m T梁共分為640個(gè)實(shí)體單元，1458個(gè)節(jié)點(diǎn).由此建立的T梁模型如圖2.

圖2 40 m T 梁有限元實(shí)體模型圖Fig.2 Finite element model of the 40 m T-beam

混凝土采用C50，混凝土比熱取為0.25，熱傳導(dǎo)率取2.3；混凝土收縮徐變系數(shù)按規(guī)范(JTG D62-2004)取值，抗拉強(qiáng)度和抗拉彈性模量發(fā)展函數(shù)按ACI 標(biāo)準(zhǔn)取值.考慮澆筑時(shí)間和當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，澆筑環(huán)境溫度按正弦函數(shù)取值，晝夜溫差取為16℃，日平均溫度取18℃.混凝土水化熱熱源函數(shù)由MIDAS 有限元分析軟件按材料特性選取.材料為高強(qiáng)硅酸鹽水泥、水泥容重500 kg/m3.

利用MIDAS 軟件水化熱分析控制40 m T 梁早齡期的溫度場和應(yīng)力場，建立了兩個(gè)施工階段，施工階段一為澆筑后拆模前，施工階段二為拆模后張拉前.澆筑時(shí)大氣溫度取20℃.分析發(fā)現(xiàn)，梁體混凝土拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在拆模前后的數(shù)小時(shí)內(nèi)，按照現(xiàn)場實(shí)際T 梁拆模時(shí)間為48 h.圖3 和圖4 分別為澆筑后49 h時(shí)T 梁體的應(yīng)力場和溫度場.

圖3 澆筑后49 h T梁梁體的應(yīng)力場Fig.3 Structural stress fields of the T-beam after pouring for 49 hours

圖4 澆筑后49 h T 梁梁體的溫度場Fig.4 Structural temperature fields of the T-beam after pouring for 49 hours

由有限元模型分析數(shù)據(jù)可以看出，模板拆除之后，梁體腹板部位溫度低，而梁底馬蹄部和翼緣板部溫度較高，梁底馬蹄部和翼緣板處產(chǎn)生的溫度應(yīng)力與腹板處產(chǎn)生的溫度應(yīng)力差值較大，因此在腹板處會(huì)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力.從另一個(gè)角度來說，梁底馬蹄部和翼緣板處較高溫度會(huì)使T 梁頂部和底部發(fā)生沿梁體長度方向的伸長變形，而腹板處的較低溫度會(huì)使T 梁腹板處沿梁體長度方向收縮變形.由于腹板處混凝土較頂?shù)装灞∪?，因此，如果這個(gè)變形超過梁體的適應(yīng)范圍，便會(huì)在腹板處發(fā)生豎向裂縫，而且這種裂縫往往是貫穿裂縫.圖5是混凝土澆筑后49 h時(shí)的梁體變形圖.

圖5 澆筑后49 h T 梁梁體變形圖Fig.5 Structural deformation of the T-beam after pouring for 49 hours

為了研究由于溫度差值引起的梁體腹板拉應(yīng)力大于此時(shí)混凝土容許張拉應(yīng)力，取梁體跨中橫截面腹板266 單元、615 節(jié)點(diǎn)，分析其拉應(yīng)力與容許張拉應(yīng)力隨時(shí)間的發(fā)展情況，如果在這個(gè)過程中該節(jié)點(diǎn)混凝土所受拉應(yīng)力大于其容許張拉應(yīng)力，那么此時(shí)便會(huì)有豎向裂縫產(chǎn)生.圖6、圖7 分別是266 單元，615 節(jié)點(diǎn)處混凝土溫度、拉應(yīng)力和容許張拉應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系圖.

圖6 615 節(jié)點(diǎn)處混凝土溫度與時(shí)間關(guān)系圖Fig.6 Variations of concrete temperature with time for node 615

圖7 615 節(jié)點(diǎn)處混凝土拉應(yīng)力、容許張拉應(yīng)力與時(shí)間關(guān)系圖Fig.7 Variations of tensile stress and permitted tensile stress with time for node 615

由圖7可以看出，在T 梁模板拆除前后這段時(shí)間，615 節(jié)點(diǎn)處混凝土所受的拉應(yīng)力已經(jīng)大于此時(shí)混凝土的容許張拉應(yīng)力，將會(huì)有裂縫產(chǎn)生.而在工程實(shí)際中則表現(xiàn)為T 梁梁體的跨中裂縫，本片T 梁所出現(xiàn)的兩條裂縫即屬于此類裂縫.

該邊跨中梁由于澆筑時(shí)為晝夜溫差較大，而且是高強(qiáng)度混凝土，水化熱較普通混凝土大，澆筑后，當(dāng)跨中腹板截面混凝土的拉應(yīng)力大于其容許張拉應(yīng)力，便會(huì)在跨中腹板處發(fā)生豎向貫穿裂縫.當(dāng)跨中腹板豎向裂縫形成后，梁體最大應(yīng)力處會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移，由分析可得，梁體最大位移會(huì)轉(zhuǎn)移到1/4～1/2 跨之間，同樣原因在此處便會(huì)出現(xiàn)第二條腹板豎向裂縫.

3 結(jié) 語

預(yù)應(yīng)力混凝土T型梁張拉前產(chǎn)生裂縫是一個(gè)比較復(fù)雜的問題，它涉及到混凝土的材料、結(jié)構(gòu)性及施工環(huán)境，施工控制等方面的問題.工程中，往往對(duì)混凝土的材料、施工條件，包括材料的配合比、預(yù)制梁體底座等比較重視，但是卻缺乏對(duì)施工環(huán)境的溫度變化對(duì)梁體產(chǎn)生的影響研究.

通過對(duì)預(yù)制混凝土T 梁早期裂縫的有限元分析研究，得出T 梁澆筑時(shí)的晝夜溫差及混凝土自身水化熱引起的溫度應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致 T梁張拉前腹板處產(chǎn)生豎向貫穿裂縫.因此，在T 梁澆筑時(shí)，特別是晝夜溫差較大的地區(qū)，應(yīng)該充分考慮澆筑過程中混凝土的溫度應(yīng)力.采取適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)措施，特別是T 梁腹板處，由于腹板處較薄弱；且此處較梁體頂?shù)装咫y于養(yǎng)護(hù)，更應(yīng)該做好保溫保濕.

參考文獻(xiàn):

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