杜國鵬 李 杰 賀 錚

(鄭州大學土木工程學院 鄭州 450001)

梁拱組合體系橋梁由于其主梁剛度大、整體性好，滿足高速列車的行車舒適性與安全性要求，故大跨度高鐵橋梁多有采用。但是由于此類橋梁對施工要求高，施工中經(jīng)常會出現(xiàn)拱腳部位混凝土開裂等現(xiàn)象，造成較大的質(zhì)量事故。程澤兵等[1]分析計算得出鋼管混凝土拱橋拱腳低溫季節(jié)施工出現(xiàn)裂縫的主要原因是日照溫差和配筋率不足。姜自奇等[2]以蒲山特大橋為例，采用midas Civil有限元分析拱腳應力分布， 為施工提出優(yōu)化。鄧風亭[3]通過midas Civil和FEA，發(fā)現(xiàn)導致拱腳裂縫產(chǎn)生的原因是施工造成拱腳局部拉應力超過了拱腳混凝土的抗拉強度。要找出鋼管拱拱腳易產(chǎn)生常見裂縫的原因，必須對拱腳局部進行詳細研究分析。但是由于其幾何形狀復雜，無法從理論的角度進行局部應力分析。因此本文從有限元的角度對某橋梁施工過程中拱腳開裂的原因進行分析探討，供同類鋼管混凝土拱橋建設參考。

1 工程概況

某高速鐵路橋全長309.6 m，主橋采用74 m+160 m+74 m預應力混凝土連續(xù)梁-鋼管混凝土拱組合結(jié)構(gòu)，橋跨結(jié)構(gòu)為剛性梁-柔性拱。本橋采用“先梁后拱”施工方法，主梁單箱雙室變截面預應力混凝土連續(xù)箱梁采用掛籃懸臂澆筑施工，上部鋼管混凝土拱肋由預制鋼構(gòu)件拼裝成拱后泵送混凝土。該橋立面圖見圖1。

圖1 主橋立面圖(單位：mm)

梁拱組合體系橋的特點是結(jié)構(gòu)復雜，施工難度大，建設周期長。在前期施工過程中，拱腳作為大跨度連續(xù)梁拱組合橋的關鍵部位，對全橋承載和跨越能力至關重要，而且其受力情況受施工順序、溫度及材料收縮徐變等因素影響很大。

此橋施工過程中，連續(xù)梁在施工至二號段張拉壓漿結(jié)束時，梁拱結(jié)合部多處出現(xiàn)了裂紋。裂紋的存在一方面影響了結(jié)構(gòu)的美觀和正常使用，另一方面削弱了結(jié)構(gòu)的剛度和整體性，可能會對高鐵橋梁運營的耐久性產(chǎn)生不利影響。因此，有必要對拱腳裂縫成因進行分析，然后根據(jù)分析結(jié)果選擇合適的處治方法。

2 裂縫情況

按照設計，0號段應使用C55混凝土采用泵送一次性澆筑成型。在現(xiàn)場施工過程中，由于現(xiàn)場施工條件的限制，拱腳混凝土與0號段混凝土的澆筑有較大的時間間隔，并且當時正值春末夏初，晝夜溫差較大。施工過程見表1。

表1 拱腳施工過程 d

主橋在懸臂施工過程中為兩側(cè)有臨時支墩的靜定T構(gòu)。梁所用C55混凝土的設計抗拉及設計抗壓應力分別滿足 1.98 MPa及-25.3 MPa。開裂時作用在結(jié)構(gòu)上的靜力荷載主要是掛籃重和2號段混凝土濕重。

在施工至2號段張拉壓漿結(jié)束時，拱腳混凝土與0號段混凝土出現(xiàn)裂縫。其中405號墩梁體出現(xiàn)10條裂縫，裂紋呈放射狀分布，裂縫長100～170 cm，裂縫寬度0.08～0.17 mm，其中L1和L6裂縫寬度大于0.15 mm；405號墩拱座出現(xiàn)26條裂縫，裂縫長60～320 cm，裂縫寬度0.05～0.26 mm，其中有8條裂縫寬度大于0.15 mm，拱座內(nèi)側(cè)裂縫比外側(cè)多。裂紋示意見圖 2。

圖2 405號墩裂紋位置示意圖

檢測數(shù)據(jù)顯示，連續(xù)梁405號墩的0號段及拱座內(nèi)外側(cè)均出現(xiàn)較多豎向裂紋，裂紋寬度在0.05～0.26 mm范圍。經(jīng)過觀測，裂紋已經(jīng)穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)有增大、縮小或者延伸趨勢，但是為了杜絕裂紋發(fā)展以致影響到混凝土的整體性，也為了選擇合適的裂縫處治方法，必須分析裂縫產(chǎn)生的原因。

3 拱腳裂縫成因分析

近年來隨著泵送施工技術發(fā)展，高強、超高強大體積混凝土的一次性澆筑中的混凝土裂紋控制變得更為困難。從裂紋起因來看，裂紋主要分為因外荷載作用引起的裂紋和變形變化引起的裂紋兩大類[4-5]。近幾年研究和調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大量的橋梁裂紋不完全是由外荷載作用而產(chǎn)生，而是由于結(jié)構(gòu)自身變形而造成，據(jù)統(tǒng)計，前者約占20%，后者約占80%。導致結(jié)構(gòu)變形的因素有很多[6]，例如：水泥的水化熱作用、日照輻射引起的氣溫變化等原因造成的溫度變形；混凝土的塑形收縮、干縮、碳化收縮造成的收縮變形；地基土膨脹造成的地基不均勻沉降等；由于外部約束的存在，結(jié)構(gòu)的變形會使混凝土內(nèi)部出現(xiàn)附加內(nèi)力。當附加內(nèi)力產(chǎn)生的應力大于混凝土材料本身的抗拉強度時，結(jié)構(gòu)便會產(chǎn)生裂紋。

3.1 分析思路

通過上述的兩大類裂縫成因的初步分析，該梁拱組合橋在實際施工中裂縫的影響因素可能有外荷載作用、溫度作用、混凝土的收縮徐變等。2號段澆筑時，靜力荷載作用只有預應力、自重和掛籃重。根據(jù)當前施工狀態(tài)建立0號段和拱腳模型進行分析，拱腳采用實體單元模擬，掛籃自重模擬為均布荷載，墩底及鋼管支撐底部固結(jié)[7-9]。

3.2 僅考慮施工過程靜力荷載

3.2.1拱腳處結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

當不考慮混凝土材料的收縮徐變及溫度荷載的效應時，梁-拱結(jié)合拱腳部位僅受施工過程的影響。此時拱腳處混凝土及0號段、1號段、2號段、橋梁主墩、臨時支墩等所受作用有自重和預應力荷載。不考慮非線性、收縮徐變情況下，當2號段張拉壓漿結(jié)束時，結(jié)構(gòu)主應力分布見圖3。

圖3 僅考慮施工過程靜力荷載的拱腳及0號段混凝土應力(單位：MPa)

由圖3可知，除預應力筋張拉與錨固區(qū)域由于應力集中現(xiàn)象出現(xiàn)部分拉應力外，拱腳及0號段混凝土其余位置應力分布較為均勻，絕大部分混凝土均處于受壓狀態(tài)，拉應力大部分在-0.15～0.64 MPa范圍內(nèi)，裂縫出現(xiàn)的位置未發(fā)現(xiàn)應力超限，因此，從結(jié)構(gòu)受力分析可知該裂紋后續(xù)進一步發(fā)展的可能性很小。

3.2.2拱腳處結(jié)構(gòu)變形分析

在不考慮非線性、收縮徐變情況下，當2號段張拉壓漿結(jié)束時，結(jié)構(gòu)豎向及橫向變形情況見圖4。

圖4 僅考慮溫度作用的拱腳及0號段變形(單位：mm)

由圖4可知，拱腳及0號段混凝土均處于下?lián)蠣顟B(tài)，最大下?lián)现禐?.27 mm，位于順橋向0號段中間位置，最小下?lián)现禐?.13 mm，位于拱腳位置。由橫向變形結(jié)果可知，拱腳及0號段混凝土橫向變形較小，0號段混凝土存在較小的橫向收縮現(xiàn)象，最大變形量為0.15 mm，位于0號段翼緣板位置。

由圖4還可知，在不考慮混凝土材料收縮徐變效應和溫度荷載時，拱腳及0號段混凝土應力和變形均較小，強度和變形均滿足要求，可知靜力荷載不是形成裂縫的主要因素。

3.3 僅考慮溫度作用

考慮到該橋位于山區(qū)，拱腳及0號段澆筑施工及養(yǎng)護是在春末夏初的四五月份完成，該季節(jié)晝夜溫差大，再考慮到陽光輻射等作用，橋梁結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生較大的應力和變形?？紤]到混凝土水化熱及當時實際溫度變化，材料非線性和溫度影響可能會是裂縫形成的主要影響因素。對拱腳和0號段考慮溫度荷載效應時，取施工時平均溫度為20 ℃，結(jié)構(gòu)整體升、降溫20 ℃。溫度作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形見表2。

表2 溫度作用時結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形

由表2可知，整體升溫、整體降溫作用下，拱腳及0號段混凝土拉應力和壓應力變化不大，變化值均小于3% 。在考慮設計規(guī)范取值的情況下，結(jié)構(gòu)應力較小(不考慮錨固區(qū)的應力集中現(xiàn)象)，不會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。但溫度荷載對結(jié)構(gòu)受力和變形影響較大，現(xiàn)場出現(xiàn)開裂可能是由于施工中環(huán)境溫度驟變、水化熱等因素共同作用產(chǎn)生的，而這些因素是設計無法詳細考慮的。因此，分析溫度和收縮徐變效應對結(jié)構(gòu)受力的影響很有必要。

3.4 溫度效應和收縮徐變共同作用

3.4.1有限元的模擬

根據(jù)midas Civil 梁單元分析的結(jié)果對拱腳局部實體模型加載，當前受力工況下的內(nèi)力只有恒載和已張拉鋼束的預應力荷載，主梁內(nèi)力情況將其通過靜力荷載的形式施加在midas FEA 拱腳實體模型截面。同時考慮了材料的非線性、溫度效應及收縮徐變效應，其中溫度依據(jù)梁體溫度傳感器及環(huán)境實測溫度。當結(jié)構(gòu)處于最不利工況時，拱腳拱座內(nèi)部節(jié)點和0號段腹板內(nèi)部由于水化熱反應設置節(jié)點溫度為60 ℃，拱腳、拱座表面、0號段主梁梁面、腹板外側(cè)主墩和臨時支墩由于太陽光的直射，設置節(jié)點溫度為40 ℃，0號段底板和箱梁內(nèi)部由于不能受到太陽光的直射，故設置節(jié)點溫度為20 ℃。

3.4.2拱腳處結(jié)構(gòu)受力分析

根據(jù)有限元分析結(jié)果可得，拱腳處混凝土主拉應力和主壓應力云圖見圖5。

圖5 考慮溫度效應和收縮徐變共同作用的拱腳及0號段應力(單位：MPa)

由圖5可知，拱腳處混凝土多處位置應力值超出混凝土的材料極限拉應力限值，且應力較大位置位于拱腳拱座和0號段腹板位置，與實際裂縫出現(xiàn)的位置相近。

3.4.3拱腳處結(jié)構(gòu)裂紋分析

根據(jù)有限元分析結(jié)果可得，拱腳處混凝土裂紋狀態(tài)見圖6。

圖6 拱腳處混凝土裂紋狀態(tài)結(jié)果

由圖6可知，拱腳及0號段混凝土多處位置出現(xiàn)裂縫，且裂紋位置與現(xiàn)場實測裂縫的位置大致相同。結(jié)果表明：①有限元軟件模擬結(jié)果與實際裂縫較吻合；②拱腳處多處出現(xiàn)的裂縫是由于混凝土水化反應內(nèi)外溫差和混凝土硬化過程中的收縮徐變共同作用造成的。

4 裂縫的預防和處理

經(jīng)過觀測和仿真分析，裂縫主要是由水化熱及日照導致過大的溫度應力和收縮徐變效應共同作用引起的。現(xiàn)在裂縫已經(jīng)穩(wěn)定，從結(jié)構(gòu)受力分析可知，該處裂縫后續(xù)進一步發(fā)展的可能性很小，但是為了杜絕裂縫后續(xù)進一步發(fā)展，影響混凝土的外觀質(zhì)量、耐久性及安全性，需要嚴格按有關要求進行處治?；炷亮芽p處治主要應達到限制裂縫擴展，滿足結(jié)構(gòu)強度、防滲、耐久性等各項驗收質(zhì)量標準和建筑物安全運行的要求[10]。

4.1 裂縫的預防措施

結(jié)合本文仿真分析結(jié)果，提出預防拱腳和0號段裂縫的措施。

1) 優(yōu)化混凝土的配合比，通過減少水泥用量、摻加添加劑等措施降低水化熱。

2) 針對高溫季節(jié)施工情況，可以采用搭設遮陽板、增加箱室內(nèi)通風降溫等措施減小混凝土的溫差。

3) 優(yōu)化鋼筋配置或者在混凝土中摻入纖維材料，將混凝土裂縫寬度控制在合理范圍。

4.2 裂縫的處治措施

常見裂縫處理方法包括表面處理法、填充處理法、灌漿處理法、結(jié)構(gòu)補強法，以及混凝土置換法等。其中灌漿處理法應用范圍廣，從細微裂縫到大裂縫均可適用，處理效果好。經(jīng)檢測，出現(xiàn)的裂紋狀態(tài)為靜止不發(fā)育狀態(tài)，不影響構(gòu)件力學性能和整體性。為保障梁體質(zhì)量與結(jié)構(gòu)安全，根據(jù)裂縫實際情況選擇合適的處治方法進行處治，常見處治工藝見表3。根據(jù)開裂情況和現(xiàn)場條件，本項目選擇對寬度小于0.15 mm的裂縫進行封閉處理，對寬度大于0.15 mm的裂縫進行化學灌漿處理，處治完成后對裂縫進行抽樣檢測，裂縫全部封閉，后續(xù)施工中未發(fā)現(xiàn)新的開裂。

表3 裂縫處治工藝

5 結(jié)語

本文運用有限元軟件midas Civil和FEA對該高速鐵路梁拱組合特大橋施工中拱腳及0號段混凝土受力情況進行了仿真分析，以探究裂縫成因。在不考慮混凝土材料的收縮徐變施工條件下，拱腳及0號段混凝土應力遠小于材料的容許應力，且結(jié)構(gòu)的變形較?。粶囟葐为氉饔孟?，拱腳及0號段混凝土應力相比于自重單獨作用時變化較小，強度相比于自重單獨作用時變化較大，但結(jié)構(gòu)最大應力也仍遠小于材料容許應力值；在溫度效應和混凝土硬化時收縮徐變效應共同作用下，拱腳和0號段混凝土多處出現(xiàn)應力超限，混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，裂縫方向與實際裂縫基本吻合，數(shù)值分析與實際裂縫狀態(tài)得到相互驗證，表明該階段拱腳開裂是由于溫度、收縮徐變效應引起，施工中應特別注意環(huán)境因素和大體積混凝土澆筑對施工質(zhì)量的影響。