于天佑，吳亞平，楊青山，楊玫，金省華，蔣勇

大體積腔體混凝土結(jié)構(gòu)溫度及裂縫分析與控制

于天佑1，吳亞平1，楊青山1，楊玫2，金省華3，蔣勇4

(1. 蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2. 杭州鐵路設(shè)計院有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310006；3. 浙江鐵道建設(shè)工程有限公司，浙江 杭州 310016；4. 杭州地方鐵路開發(fā)有限公司，浙江 杭州 310013)

大體積腔體結(jié)構(gòu)混凝土溫度裂縫多產(chǎn)生于內(nèi)外溫差較大處，為盡可能避免溫度裂縫的發(fā)生，以寧波市下穿鐵路框架橋涵大體積混凝土為依托，采用數(shù)值分析的方法，研究澆筑及養(yǎng)護(hù)過程中模板類型和環(huán)境溫度對大體積混凝土腔體結(jié)構(gòu)溫度及裂縫的影響，并結(jié)合現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行分析和論證。研究結(jié)果表明：對于大體積腔體現(xiàn)澆整體式箱涵結(jié)構(gòu)，易出現(xiàn)由最高溫度向側(cè)板內(nèi)側(cè)偏移所導(dǎo)致的翹曲現(xiàn)象，容易在側(cè)板內(nèi)側(cè)產(chǎn)生翹曲裂縫；鋼模板澆筑比木模板澆筑的混凝土最高溫度低10 ℃，側(cè)板最大溫差低16 ℃左右，最大應(yīng)力低約0.9 MPa，最高溫度出現(xiàn)時間比木模板推遲1 d左右，采用鋼模及采用內(nèi)外同條件養(yǎng)護(hù)可以有效減少翹曲裂縫的產(chǎn)生；對于大體積腔2次澆筑框架橋結(jié)構(gòu)，養(yǎng)護(hù)過程中在側(cè)板長度方向易產(chǎn)生約0.2~0.4 mm豎向貫穿性裂縫。

腔體混凝土結(jié)構(gòu)；下穿鐵路框架橋涵；模板類型；翹曲裂縫

隨著當(dāng)前道路交通量的不斷增大，下穿式的箱涵越來越多，為了減小對既有線路正常運(yùn)行的影響，通常選用預(yù)制框架橋涵頂進(jìn)式施工。箱涵的預(yù)制一般分為拼裝式和整體式，由于拼裝式的預(yù)制框架橋整體性較差，各節(jié)之間銜接處止水帶老化容易引起漏水的病害[1?2]，因此對于小規(guī)模的箱涵通常選用整體式澆筑施工。但整體式箱涵澆筑施工屬于大體積腔體式混凝土施工，由于腔體結(jié)構(gòu)的特殊性、長度較長以及橋涵混凝土體積較大，澆筑過程中所產(chǎn)生的大量水化熱會在箱涵內(nèi)外產(chǎn)生不同的溫度[3]，但由于混凝土中間溫度始終高于內(nèi)外表面，因此箱涵中間與內(nèi)外兩側(cè)表面均會產(chǎn)生溫差，較大的溫差會在混凝土內(nèi)外表面均產(chǎn)生較大的表面張力[4]，從而引起不規(guī)則的溫度裂縫，對其使用功能及安全運(yùn)營造成較大的隱患[5]。因此在澆筑過程中對混凝土的內(nèi)外溫差進(jìn)行合理的分析與控制，可以有效減少溫度裂縫的發(fā)生[6]。孫增智等[7]分析了粉煤灰含量、澆筑溫度、環(huán)境溫度及養(yǎng)護(hù)措施對承臺大體積混凝土溫度及應(yīng)力的影響，但針對的結(jié)構(gòu)僅為混凝土大體積實體結(jié)構(gòu)，只分析了混凝土中間與外表面的溫度及應(yīng)力，對框架橋等大體積腔體特殊結(jié)構(gòu)側(cè)板的內(nèi)表面溫度、應(yīng)力及裂縫機(jī)理狀況并未深入研究。為深入研究大體積腔體結(jié)構(gòu)澆筑及養(yǎng)護(hù)過程中的溫度及應(yīng)力變化情況，本文以模板類型、環(huán)境溫度作為影響因素，針對不同工況下的箱涵大體積混凝土，對澆筑及養(yǎng)護(hù)過程中的溫度及應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了以上影響因素對澆筑期間各測點溫度及應(yīng)力及所產(chǎn)生裂縫的影響。并結(jié)合現(xiàn)場試驗及檢測數(shù)據(jù)對框架橋涵的溫度、應(yīng)力和裂縫情況進(jìn)行了分析和論證。

1 箱涵側(cè)墻散熱物理模型

箱涵混凝土的水化熱在澆筑養(yǎng)護(hù)前期，隨時間的變化而變化，因此箱涵放熱過程可用常物性非穩(wěn)態(tài)方程[8?9]來表示，即

假設(shè)在某一時刻箱涵側(cè)墻混凝土內(nèi)側(cè)模板的溫度為w1，其對流傳熱系數(shù)為1；側(cè)墻外側(cè)模板表面溫度為w2，其對流傳熱系數(shù)為2；側(cè)墻混凝土內(nèi)側(cè)模板的溫度為1；側(cè)墻混凝土內(nèi)側(cè)模板的溫度為2；側(cè)墻厚度為；模板厚度為；模板的導(dǎo)熱系數(shù)為1。

假設(shè)某時刻側(cè)墻混凝土最高溫度max距側(cè)墻內(nèi)表面的距離為1。由熱通量守恒原理[10]：

式中：Φ為箱涵截面?zhèn)葔嵬?；w1為箱涵側(cè)墻內(nèi)側(cè)模板外表面的溫度；1為內(nèi)側(cè)模板外表面對流傳熱系數(shù)；1為側(cè)墻內(nèi)側(cè)混凝土表面的溫度；1為側(cè)墻的導(dǎo)熱系數(shù)；2為模板的導(dǎo)熱系數(shù)；為側(cè)墻厚度；為模板厚度則箱涵最高溫度向內(nèi)側(cè)的散熱模型見式(3)：

同理，最高溫度位置向外側(cè)的散熱模型為：

式中：2為內(nèi)側(cè)模板外表面對流傳熱系數(shù)。

2 框架橋涵大體積混凝土數(shù)值模擬

針對寧波下穿鐵路箱涵B和C涵大體積混凝土進(jìn)行不同工況下的數(shù)值模擬，B和C 2框箱涵基本尺寸相同，基本尺寸如表1。C箱涵澆筑澆筑于寧波11月環(huán)境溫度下，B箱涵澆筑于寧波12月環(huán)境溫度下。

根據(jù)B和C 2箱涵的實際澆筑時間，將每天的氣溫波動設(shè)置為高低溫之間正弦式氣溫波動方式，將實際氣溫加到箱涵上，進(jìn)行不同工況的數(shù)值模擬。設(shè)置表2所示的2種工況。工況1設(shè)置鋼模與木模2種模板類型，其中鋼木模板相關(guān)材料參數(shù)如表3所示[11]，以模板類型作為變量，其他因素作為定值，來研究模板類型對箱涵內(nèi)外溫差的影響；工況2設(shè)置寧波11月和12月2種氣溫作為變量，其他因素作為恒定量，來研究澆筑及養(yǎng)護(hù)環(huán)境溫度對箱涵側(cè)墻溫度及應(yīng)力的影響。

表1 B和C 2箱涵基本尺寸

表2 不同工況下的數(shù)值模擬

表3 鋼模板與木模板相關(guān)材料參數(shù)

針對箱涵的澆筑建立ANSYS分析模型，對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分52 018個單元，進(jìn)行有限元分析?，F(xiàn)場實際施工中先澆筑底板，在底板澆筑72 h后側(cè)板和頂板一起澆筑，按照此施工順序，模擬過程利用生死單元法來實現(xiàn)此施工過程，模型建好之后，先利用EKILL命令殺死側(cè)板及頂板單元，在底板約束及荷載施加完畢72 h后，利用EALIVE命令復(fù)活側(cè)板和頂板單元，并在側(cè)板與底板交界處設(shè)置約束條件，來模擬新舊澆筑面的摩擦接觸狀態(tài)，進(jìn)行加載求解。

箱涵澆筑現(xiàn)場采用蒸汽養(yǎng)護(hù)來保證箱涵的養(yǎng)護(hù)濕度適宜，并采用覆膜養(yǎng)護(hù)來減小外界氣溫對箱涵外側(cè)混凝土的溫度的影響，本文主要研究水化熱對箱涵的影響，因此只考慮溫度對箱涵的影響。根據(jù)現(xiàn)場箱涵內(nèi)外側(cè)氣溫的實測值，可知側(cè)墻內(nèi)側(cè)溫度基本保持在15 ℃左右，而側(cè)墻外側(cè)氣溫變化趨勢基本與環(huán)境溫度保持一致，但比外側(cè)氣溫略高1~2 ℃。因此箱涵內(nèi)側(cè)環(huán)境溫度設(shè)置為恒定溫度15 ℃，將外側(cè)環(huán)境溫度根據(jù)實側(cè)溫度變化降低2℃施加于箱涵外側(cè)模板上。

在實際鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋混凝土的抗拉性能主要由受拉筋所承擔(dān)。而solid70單元為熱應(yīng)力耦合單元，無法將配筋對箱涵結(jié)構(gòu)的影響考慮進(jìn)去，為考慮配筋對箱涵拉應(yīng)力的影響，根據(jù)文獻(xiàn)[12?14]，近似認(rèn)為箱涵鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，主要拉應(yīng)力由鋼筋承擔(dān)。

3 有限元分析結(jié)果

3.1 模板類型對混凝土溫度的影響

工況1的2種模板澆筑條件下混凝土ANSYS分析溫度場分布如圖1~2所示。

由圖1~2的有限元模擬可知，鋼模板所澆筑的箱涵最高溫度和最大應(yīng)力明顯高于木模板，且箱涵的最高溫度和最大拉應(yīng)力基本分布在側(cè)墻與頂板拐角處，因此選取箱涵側(cè)墻與頂板拐角處節(jié)點作分析。側(cè)板與頂板拐角處節(jié)點溫度隨時間變化曲線如圖3和圖4所示，其溫差圖及應(yīng)力圖如圖5和圖6所示。

(a) 溫度場；(b) 應(yīng)力場

(a) 溫度場；(b) 應(yīng)力場

圖3 工況1條件下木模澆筑混凝土溫度隨時間變化曲線

圖4 工況1條件下鋼模澆筑混凝土溫度隨時間變化曲線

圖5 工況1條件下鋼模與木模澆筑混凝土溫差隨時間變化曲線

圖6 工況1條件下鋼模與木模澆筑時側(cè)板應(yīng)力隨時間變化曲線

由圖3和圖4可知，采用木模澆筑的混凝土在澆筑后1 d左右，側(cè)板測點各位置溫度均達(dá)到了溫度峰值54 ℃左右；而采用鋼模澆筑時，溫度峰值向后推遲了1 d，此時內(nèi)側(cè)最高溫度達(dá)到了44 ℃左右，鋼模板散熱高于木模板，因此鋼模澆筑最高溫度比木模低10 ℃左右。

由圖5的溫差圖可知，采用木模板澆筑的側(cè)墻混凝土最大溫差約為24 ℃，對于鋼模板澆筑的混凝土來說，側(cè)板中間與外側(cè)最大溫差約為5 ℃左右，中間與內(nèi)側(cè)最大溫差約為3 ℃左右，且均出現(xiàn)在澆筑后1~3 d，因此澆筑后1~3 d為裂縫產(chǎn)生的主要時段。鋼模板澆筑的混凝土側(cè)板最大溫差比木模低16 ℃左右，因此，鋼模所澆筑混凝土側(cè)板產(chǎn)生溫度裂縫的可能性明顯小于木模。

由圖6的應(yīng)力圖可知，鋼模與木模應(yīng)力的變化趨勢基本一致。木模板所澆筑混凝土側(cè)板外表面應(yīng)力前期的增長速率明顯快于鋼模板，到澆筑后第16 d時，2種模板澆筑條件下側(cè)板外表面應(yīng)力增長均較小，木模板應(yīng)力基本穩(wěn)定在2.2 MPa左右，而鋼模板約為1.3 MPa左右。

(a) 寧波11月時的溫度場；(b) 寧波12月時的溫度場

2種模板所澆筑的側(cè)板內(nèi)表面應(yīng)力在前期會出現(xiàn)一定的壓應(yīng)力，木模板最大壓應(yīng)力約為0.7 MPa左右，鋼模板約為0.2 MPa左右。之后隨著混凝土整體溫度的降低，側(cè)板整體應(yīng)力均表現(xiàn)為拉應(yīng)力，并隨著齡期的增長，側(cè)墻內(nèi)外側(cè)拉應(yīng)力都隨之增大，但側(cè)板內(nèi)表面應(yīng)力始終低于外表面，到混凝土澆筑后16 d時，側(cè)墻外側(cè)拉應(yīng)力達(dá)到了2.0~2.2 MPa左右，側(cè)墻內(nèi)側(cè)約1.0~1.2 MPa左右，側(cè)墻外表面應(yīng)力高于內(nèi)表面，且內(nèi)外側(cè)應(yīng)力差約為1 MPa左右，側(cè)墻整體會產(chǎn)生1 MPa左右的偏心翹曲應(yīng)力，使側(cè)墻整體產(chǎn)生向外的翹曲現(xiàn)象，從而使側(cè)墻內(nèi)側(cè)應(yīng)力有所增大，當(dāng)超過混凝土抗拉強(qiáng)度時，容易在內(nèi)表面產(chǎn)生翹曲裂縫。而木模板內(nèi)外溫差相對鋼模板來說更大，因此木模板比鋼模板在內(nèi)表面更容易產(chǎn)生翹曲裂縫。

3.2 環(huán)境溫度對混凝土溫度及應(yīng)力的影響

采用寧波11月和12月氣溫2種不同的環(huán)境溫度進(jìn)行混凝土的澆筑及養(yǎng)護(hù)，模板均采用木模板，入模溫度設(shè)置為15 ℃，進(jìn)行有限元模擬。圖7為2種環(huán)境溫度下箱涵達(dá)到最高溫度時的溫度場。

由圖7可知，11月環(huán)境溫度時箱涵的整體溫度高于12月，取側(cè)墻與頂板拐角處節(jié)點進(jìn)一步分析。圖8~10為寧波2種環(huán)境溫度條件下的溫度及應(yīng)力變化曲線。

圖8 工況2寧波11月環(huán)境溫度條件下混凝土溫度

圖9 工況2寧波12月環(huán)境溫度條件下混凝土溫度

圖10 工況2寧波11月和12月環(huán)境溫度條件下側(cè)板應(yīng)力曲線

由圖8~9可知，寧波12月環(huán)境溫度下澆筑的混凝土側(cè)板溫度及溫差變化趨勢與11月基本一致，但其中間最高溫度約為56 ℃，比11月低6 ℃；12月環(huán)境溫度下澆筑的混凝土側(cè)板中間與外側(cè)最大溫差與11月相差不大，約為18.5 ℃，且都出現(xiàn)在澆筑后1~3 d，由此可知箱涵側(cè)墻在澆筑后1~3 d時最容易產(chǎn)生裂縫。

其次，由圖10可知，12月份環(huán)境溫度時澆筑的側(cè)墻內(nèi)外側(cè)應(yīng)力小于11月所澆筑的側(cè)墻，因此有效降低環(huán)境溫度可減小后期側(cè)板混凝土的應(yīng)力，減小后期因溫度降低而產(chǎn)生的收縮裂縫。

4 現(xiàn)場試驗

現(xiàn)場對基本尺寸相同的B箱涵和C箱涵進(jìn)行現(xiàn)場試驗，C箱涵最先于11月中旬進(jìn)行澆筑，澆筑方式采用木模澆筑；B箱涵于12月初進(jìn)行澆筑，澆筑方式為鋼模澆筑，如圖11所示。本文主要討論混凝土水化熱溫度對箱涵溫度及應(yīng)力的影響，不考慮濕度變化的影響。

記錄2箱涵的溫度及應(yīng)力應(yīng)變情況，箱涵內(nèi)外側(cè)環(huán)境溫度的記錄曲線見圖12。

由圖12可知，箱涵外側(cè)環(huán)境溫度與箱涵外側(cè)環(huán)境溫度變化趨勢基本一致，而箱涵內(nèi)側(cè)環(huán)境溫度在36 h之前快速上升，到15~17 ℃左右時基本保持穩(wěn)定。

(a) C箱涵木模板澆筑；(b) B箱涵鋼模板澆筑

圖12 箱涵內(nèi)外側(cè)環(huán)境溫度

根據(jù)2箱涵的實測數(shù)據(jù)繪制溫度及應(yīng)力曲線，如圖13~18所示。

圖13 B箱涵側(cè)板與頂板拐角溫度變化曲線

由圖13和圖14可知，B箱涵最高溫度比C箱涵低約22 ℃左右，且B箱涵達(dá)到最高溫度的時間比C箱涵推遲了1 d，與工況1有限元分析結(jié)果大致相符。B箱涵的最大內(nèi)外溫差約為7 ℃，C箱涵最大內(nèi)外溫差約為10 ℃，可知C箱涵最高溫度向箱涵內(nèi)測偏移現(xiàn)象比B箱涵更加明顯，側(cè)板翹曲現(xiàn)象也更加明顯，這是由于C箱涵木模的保溫作用以及箱涵自身的腔體結(jié)構(gòu)及內(nèi)外養(yǎng)護(hù)條件差異所導(dǎo)致的。

圖14 C箱涵側(cè)板與頂板拐角溫度變化曲線

圖15 C箱涵混凝土表面應(yīng)力變化曲線

其次由圖14~18的B和C 2箱涵的應(yīng)力圖像可知，在混凝土澆筑之后B和C 2箱涵的表面拉應(yīng)力呈現(xiàn)出持續(xù)增長趨勢，且縱向拉應(yīng)力大于水平應(yīng)力。這是由于在拆模之后，箱涵整體溫度不斷地降低，混凝土整體會不斷地收縮,導(dǎo)致底板對側(cè)墻約束力逐漸增大的緣故，從而導(dǎo)致側(cè)墻拉應(yīng)力較大，且由于箱涵結(jié)構(gòu)縱向長度大于豎向高度，因此縱向約束應(yīng)力大于其他方向應(yīng)力，易產(chǎn)生豎向裂縫。

圖16 C箱涵混凝土表面應(yīng)力變化曲線

圖17 B箱涵混凝土表面應(yīng)力變化曲線

圖18 B箱涵混凝土表面主應(yīng)力變化曲線

在實際拆模之后，B箱涵內(nèi)外均未產(chǎn)生裂縫，而C箱涵內(nèi)外共產(chǎn)生10條裂縫，且裂縫方向均為豎向，由側(cè)板與頂板拐角處開始，延伸至距底板1 m左右消失，其分布位置見圖19。

由圖19可知，C箱涵內(nèi)部產(chǎn)生8條裂縫，外側(cè)共產(chǎn)生2條裂縫，內(nèi)側(cè)裂縫數(shù)目多于外側(cè)，內(nèi)側(cè)裂縫之所以較多，是由于側(cè)墻的翹曲效應(yīng)所導(dǎo)致的。溫度裂縫寬度均為0.2~0.4 mm之間，如圖20所示。

單位：m

圖20 C箱涵裂縫寬度

結(jié)合B和C 2箱涵的應(yīng)力及溫度曲線，分析C箱涵出現(xiàn)裂縫的原因主要是由于C涵采用木模板進(jìn)行澆筑，最高溫度向內(nèi)側(cè)偏移現(xiàn)象嚴(yán)重，因此側(cè)墻翹曲效應(yīng)相對B箱涵較強(qiáng)所導(dǎo)致的。

5 結(jié)論

1) 對于腔體式大體積現(xiàn)澆框架橋涵，鋼模板比木模板澆筑的混凝土最高溫度低10 ℃，側(cè)板最大溫差低16 ℃左右，最大應(yīng)力低約0.9 MPa；且鋼模板所澆筑的混凝土最高溫度出現(xiàn)時間比木模板推遲1 d左右。

2) 對于腔體式大體積現(xiàn)澆框架橋涵，側(cè)板最高溫度容易出現(xiàn)由中間向內(nèi)側(cè)偏移的現(xiàn)象，相對木模板澆筑的混凝土，采用鋼模板澆筑混凝土可有效減緩側(cè)板最高溫度由中間向內(nèi)側(cè)偏移的趨勢，從而減小側(cè)板內(nèi)側(cè)翹曲裂縫的產(chǎn)生。

3) 對于2次澆筑且長度較長的大體積框架橋涵，在側(cè)板及頂板澆筑及養(yǎng)護(hù)過程中，由于底板及側(cè)板鋼筋籠會對側(cè)板2次澆筑混凝土起到一定的約束作用，長度方向拉應(yīng)力很大，側(cè)板易出現(xiàn)寬度為0.2~0.4 mm且較長的的豎向貫穿性裂縫。降低養(yǎng)護(hù)環(huán)境溫度、利用鋼模板澆筑可有效減小貫穿裂縫的產(chǎn)生。

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Analysis and control of temperature and crack inside and outside mass concrete cavity structure

YU Tianyou1, WU Yaping1, YANG Qingshan1, YANG Mei2, JIN Shenghua3, JIANG Yong4

(1. School of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China; 2. Hangzhou Railway Design Institute Co., Ltd, Hangzhou 310006, China; 3. Zhejiang Railway Construction Engineering Co., Ltd, Hangzhou 310006, China;4. Hangzhou Local Railway Development Co., Ltd, Hangzhou 310013, China)

In order to avoid the occurrence of temperature cracks, the influence of template type and environmental temperature on the temperature and cracks of mass concrete cavity structure in the process of pouring and curing was studied by numerical analysis, based on mass concrete of bridge and culvert under railway in Ningbo city. Combined with the field test data, it was analyzed and demonstrated. The results show that the warping phenomenon caused by the maximum temperature shifting to the inner side of the side plate and the warping cracks are easy to occur in the inner side of the side plate for the integral frame bridge structure with large volume cavity. The maximum temperature of concrete poured by steel formwork is 10 ℃ lower than that poured by wood form work. The maximum temperature difference of side slab is 16 ℃ lower. The maximum stress is about 0.9 MPa lower, and the maximum temperature occurs one day later than that poured by wood formwork. The use of steel formwork and the maintenance under the same conditions inside and outside can effectively reduce the generation of warpage cracks. For the frame bridge structure with large volume cavity, vertical penetrating cracks of about 0.2~0.4 mm are easy to occur.

cavity concrete structure; underpass railway frame bridge and culvert; formwork type; warpage crack

TU528.01

A

1672 ? 7029(2020)03 ? 0690 ? 09

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190374

2019?05?05

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目(2015G005-C)

吳亞平(1958?)，男，浙江吳興人，教授，博士，從事道路與鐵道工程研究；E?mail：lzjtwyp@163.com

(編輯 陽麗霞)