任 翔,盧 宇,宋 飛,譚 瀟

(西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

大跨度懸索橋、斜拉橋、預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的大體積混凝土空心薄壁橋塔、橋墩結(jié)構(gòu)沿塔壁中心線附近出現(xiàn)豎向裂縫，并有不斷擴(kuò)展的現(xiàn)象。在裂縫的形成和擴(kuò)展的過程中，日照溫度效應(yīng)是一個(gè)重要的影響因素。

許多學(xué)者已經(jīng)在溫度效應(yīng)方面進(jìn)行了大量的研究，顧斌[1]等依據(jù)實(shí)測溫度與有限元軟件模擬對(duì)比提出了三維日照溫度場的模擬方法。代璞[2]等利用現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)與有限元軟件模擬給出了 H 形截面混凝土橋塔的溫度場和溫度應(yīng)力的分布特點(diǎn)。KIM[3]等以韓國的仁川大橋?yàn)槔?，利用?shù)值方法分析了斜拉橋鋼箱梁溫度場的分布規(guī)律，張永健[4]等以某雙肢人字形獨(dú)塔斜拉橋?yàn)槔?通過有限元軟件分析了橋塔在整體溫度效應(yīng)作用下的應(yīng)力分布情況。任翔[5-7]等以某懸索橋混凝土橋塔為例，觀測了其日照溫度場，分析了不同溫差荷載隨時(shí)間的變化規(guī)律，以及在塔壁厚方向最不利的溫差作用下橋塔的空間應(yīng)力分布情況，研究了溫差作用下混凝土橋塔開裂面應(yīng)力分布狀態(tài)，表明未開裂面應(yīng)力均較開裂面應(yīng)力小。陳定市[8]等利用有限元軟件分析了橋塔在日照溫度作用下的溫度場與應(yīng)力場的分布規(guī)律，同實(shí)測值對(duì)比結(jié)果表明差異較小。

從以往的研究可以看出，對(duì)于混凝土的溫變特性研究，主要集中于溫度場、溫度應(yīng)力和開裂等方面，而對(duì)于斜拉橋、懸索橋混凝土橋塔塔身在橋梁運(yùn)營使用中出現(xiàn)豎向裂縫在溫度的影響下，裂縫寬度是否穩(wěn)定，有無擴(kuò)展、擴(kuò)展到何種程度研究相對(duì)較少。因此，通過觀測數(shù)據(jù)與有限元模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，研究不同溫度場與裂縫擴(kuò)展機(jī)理的相關(guān)性，對(duì)溫度與裂縫寬度的變化關(guān)系進(jìn)行研究，并為以后該類橋梁的設(shè)計(jì)計(jì)算和維修養(yǎng)護(hù)提供依據(jù)。

1 溫度場和裂縫試驗(yàn)研究

1.1 工程概況

某長江公路大橋?yàn)閱慰珉p塔懸索鋼箱梁體系大橋，跨徑為960 m，橋面寬30 m，橋塔為H型塔，北塔高112.415 m，南塔高142.270 m，雙塔塔肢均設(shè)有上、中、下3道橫梁且各橫梁高分別為5.4、7.5、6.8 m。橋塔塔肢采用混凝土空心薄壁箱型結(jié)構(gòu)，各塔肢橫橋向?qū)挾染鶠? m，順橋向?qū)挾缺彼伤? m漸變至塔底為8.248 m，南塔由塔頂漸變至塔底為8.845 m，塔肢壁厚隨塔高變化，內(nèi)側(cè)壁厚由0.8 m逐漸變化為1.0 m，外側(cè)壁厚由0.9 m逐漸變化為1.1 m，塔肢的四角、外側(cè)壁設(shè)有0.3 m×0，5 m、0.3 m×0.15 m槽口。

1.2 試驗(yàn)方案

橋塔的上、下游4個(gè)塔肢受周圍環(huán)境溫度和所受太陽輻射情況相近，為了便于橋塔的溫度場與裂縫的觀測，而選擇北塔下游的塔肢作為溫度場和裂縫觀測對(duì)象，測試斷面選在距橋面1 m處，橋塔溫度場觀測斷面與裂縫觀測點(diǎn)位置如圖1(a)所示，圖1(b)中：1、2、3、4代表橋塔所選取箱型截面上每個(gè)塔壁外表面上的溫度測點(diǎn)位置，1’、2’、3’、4’代表橋塔所選取箱型截面上每個(gè)塔壁內(nèi)表面上的溫度測點(diǎn)位置。

同時(shí)選擇2條裂縫作為測試對(duì)象，裂縫1和裂縫2都位于北塔下游西側(cè)塔壁的內(nèi)表面上，裂縫1距離橋面1.5 m左右處，裂縫2距離橋面17 m左右處。裂縫觀測測點(diǎn)1、2位置如圖1(a)所示，現(xiàn)場裂縫測試和分布圖如圖2所示。

(a) 溫度場和裂縫觀測點(diǎn)示意圖

(a) 現(xiàn)場裂縫觀測圖

溫度場測試選擇量程為-50 ℃～1 000 ℃，精度為0.1 ℃的紅外線測試儀，其操作簡便，精度穩(wěn)定。裂縫測試選擇海創(chuàng)高科的HC-U8系列多功能混凝土超聲波檢測儀。為了精準(zhǔn)探究溫度與裂縫的關(guān)系，避免偶然性和測試帶來的誤差，因此測試同步進(jìn)行，選擇春、夏、冬3季進(jìn)行測試，具體測試時(shí)間分為2015年5月1日—5月7日、7月27日—8月2日、2016年1月17日—1月22日進(jìn)行3次測試觀測。每間隔2 h測一次，24 h不間斷。

1.3 測試結(jié)果及分析

1.3.1溫度場測試

橋塔內(nèi)外表面各個(gè)方向上觀測的溫度變化情況：將實(shí)測的春、夏、冬3個(gè)季節(jié)的3 d溫度觀測數(shù)據(jù)作為分析對(duì)象。

把橋塔截面塔壁內(nèi)外表面所測的4個(gè)溫度數(shù)據(jù)均取平均值作為橋塔的溫度觀測數(shù)據(jù)繪制如圖3、圖4、圖5所示的溫度隨時(shí)間變化規(guī)律。表示在2015年5月1日—5月4日、2015年7月28日—31日、2016年1月17日—1月20日各3 d內(nèi)橋塔塔壁4個(gè)方向內(nèi)外表面的平均溫度的溫度變化情況。

(a) 橋塔內(nèi)

(a) 橋塔內(nèi)

(a) 橋塔內(nèi)

圖中的橫坐標(biāo)為測試時(shí)間，以第1天第1次測試時(shí)間8點(diǎn)為零作為起始點(diǎn)，縱坐標(biāo)為溫度值，折線圖中各個(gè)時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的數(shù)值表示所測橋塔截面各個(gè)內(nèi)外表面的溫度值。

通過圖3、圖4、圖5可發(fā)現(xiàn)橋塔在5月1日—5月4日和7月28日—31日的3 d內(nèi)，橋塔各個(gè)方向的外表面溫度變化起伏較大，且溫度隨時(shí)間變化曲線近似于正弦或余弦變化，而橋塔各個(gè)方向的內(nèi)表面溫度變化波動(dòng)較小即趨于穩(wěn)定。而橋塔在冬季時(shí)，橋塔各個(gè)方向的內(nèi)外表面溫度變化波動(dòng)均較大且相似變化。

同時(shí)，橋塔的各個(gè)方向上的內(nèi)外表面最高溫度均發(fā)生在夏季南側(cè)，值分別為37.1 ℃、46.6 ℃，內(nèi)表面最低溫度出現(xiàn)在冬季北側(cè)，值為-8.5 ℃、外表面最低溫在冬季南側(cè)，值為-9.8 ℃。

1.3.2裂縫測試

a.春季裂縫變化。

春季裂縫選取測試時(shí)間為2015年5月1日—5月4日，裂縫寬度和深度隨時(shí)間變化規(guī)律如圖6、圖7所示。

圖6、圖7中橫坐標(biāo)均代表測試時(shí)間，以第1天第1次測試時(shí)間點(diǎn)也就是8點(diǎn)為零作為起始點(diǎn)，然后每間隔2 h測一次，24 h不間斷，連續(xù)測試3 d，圖6、圖7中縱坐標(biāo)分別表示裂縫寬度的寬度大小、裂縫深度的深度大小。裂縫寬度與深度測試時(shí)間同步。

圖6 春季裂縫寬度隨時(shí)間變化規(guī)律

圖7 春季裂縫深度隨時(shí)間變化規(guī)律

通過圖6可得出裂縫1和裂縫2寬度變化保持在0.29～0.31 mm之間變化，從隨時(shí)間變化上看裂縫的寬度值基本都是在0.3 mm上下波動(dòng)，并且波動(dòng)范圍在0.02 mm以內(nèi)，可以初步判定裂縫1和裂縫2的寬度基本變化很小。由圖7可發(fā)現(xiàn)裂縫1的深度在31～38 mm之間變化，大多數(shù)集中在34 mm左右，變化最大相差7 mm，隨著時(shí)間的變化裂縫深度的變化呈現(xiàn)出正弦曲線趨勢，但是幅度較小。

b.夏季裂縫變化。

夏季裂縫選取測試時(shí)間為2015年7月28日—7月31日，對(duì)裂縫1、裂縫2進(jìn)行了連續(xù)3 d的觀測，每天連續(xù)24 h觀測，每次觀測時(shí)間間隔是2 h，持續(xù)3 d不間斷。裂縫1和裂縫2的寬度和深度觀測結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 夏季裂縫寬度隨時(shí)間變化規(guī)律

圖9 夏季裂縫深度隨時(shí)間變化規(guī)律

由圖8中可得出，裂縫1和裂縫2的寬度分別在0.28～0.36、0.31～ 0.45 mm之間變動(dòng)，呈現(xiàn)波浪式的變化形式，裂縫1的寬度數(shù)據(jù)集中在 0.33上，裂縫2的寬度數(shù)據(jù)多數(shù)集中在0.42上?？傮w而言，2條裂縫的變化幅度相對(duì)較小。由圖9中可以得出裂縫深度隨時(shí)間的變化規(guī)律，裂縫1和裂縫2都沒有明顯的變化規(guī)律，隨著時(shí)間的增加，裂縫1和裂縫2的深度變化比較混亂，裂縫1的深度變化范圍在34～ 63 mm之間，裂縫2的深度變化范圍在25～53 mm之間，兩條裂縫的變化范圍都非常大，并且都呈現(xiàn)了復(fù)雜性。

c.冬季裂縫變化。

2016年1月17日—1月20日，對(duì)裂縫1、裂縫2進(jìn)行了連續(xù)3 d的觀測，每天連續(xù)24 h觀測，每次觀測時(shí)間間隔是2 h，持續(xù)3 d不間斷。裂縫1到裂縫2的寬度和深度觀測結(jié)果繪制如圖10、圖11所示。

圖10 冬季裂縫寬度隨時(shí)間變化規(guī)律

圖11 冬季裂縫深度隨時(shí)間變化規(guī)律

從圖10中可得裂縫1的寬度多數(shù)集中在0.29～0.35 mm之間；裂縫2的寬度多數(shù)集中在0.36～0.42 mm之間?？傮w來說2個(gè)裂縫的變化趨勢都較為平穩(wěn)，變化幅度較小，2條曲線呈現(xiàn)出正弦曲線趨勢，說明裂縫在正負(fù)溫差下有閉合和張開現(xiàn)象；從圖11中得出縫1和縫2的深度變化呈現(xiàn)出波動(dòng)起伏大，沒有一定的變化規(guī)律，縫1的深度范圍為21～54 mm，呈上下起伏無規(guī)律，縫2的深度范圍為23～53 mm，與縫1變化基本相似。

2 溫差與裂縫相關(guān)性分析

通過觀測數(shù)據(jù)分析可初步得知，裂縫寬度的變化和溫差有緊密的關(guān)系，故可將溫差作為參變量來考察其對(duì)裂縫的影響。

把觀測橋塔塔壁的溫差，以及裂縫寬度數(shù)據(jù)繪制如圖12、圖13、圖14所示寬度隨時(shí)間、溫差變化。分別表示在春季2015年5月1日—5月4日、夏季2015年7月28日—31日，冬季2016年1月17日—1月20日各3天內(nèi)橋塔塔壁所測的數(shù)據(jù)。圖中的橫坐標(biāo)代表測試時(shí)間，以第1天第一次測試時(shí)間8點(diǎn)為零作為起始點(diǎn)，左縱坐標(biāo)為溫度，右縱坐標(biāo)為寬度，點(diǎn)線圖上每一個(gè)點(diǎn)代表測試時(shí)間對(duì)應(yīng)的溫差值和裂縫寬度值(塔壁外表面溫度高于內(nèi)表面溫度為正溫差，反之亦然)。

圖12 春季寬度隨時(shí)間、溫差變化

圖13 夏季寬度隨時(shí)間、溫差變化

圖14 冬季寬度隨時(shí)間、溫差變化

從圖12～圖14可得出在春、夏、冬3季橋塔沿壁厚4個(gè)方向的內(nèi)表面溫差隨時(shí)間的變化趨勢一致，橋塔的內(nèi)外表面正負(fù)溫差均發(fā)生在冬季，最大值分別為20.4 ℃、-11.5 ℃，同時(shí)，5月1日—5月4日和7月28日—31日3天內(nèi)4個(gè)方向的正溫差最大值均發(fā)生在14:00—16:00這個(gè)時(shí)間段，負(fù)溫差發(fā)生最大值出現(xiàn)在4:00—6:00這個(gè)時(shí)間段，1月17日—1月20日3天內(nèi)最大正溫差發(fā)生在10:00左右，最大負(fù)溫差發(fā)生在4:00左右，而一般陽光溫度最高發(fā)生在12:00—13:00左右，由于橋塔是混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土的傳熱性能較差，因此在橋塔內(nèi)外表面升溫過程中溫度變化有滯后性。

3個(gè)季節(jié)裂縫寬度在溫差變化下總體可以看出裂縫寬度并不是一直在擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，從圖12可以得出隨著溫差的增大(無論是負(fù)溫差的增大還是正溫差的增大)，裂縫1和裂縫2的寬度都沒有明顯的擴(kuò)展現(xiàn)象，2條裂縫都呈現(xiàn)出了在0.02 mm范圍內(nèi)變化。由圖13可知裂縫1、裂縫2在溫差的影響下，前1天裂縫寬度處于擴(kuò)張趨勢且已擴(kuò)張到最大值，分別為0.45、0.36 mm，之后裂縫進(jìn)入擴(kuò)大縮小來回變化，同時(shí)變化的幅值為0.14 mm。由圖14得出第1天的溫差比較大，說明第1天的冬季溫度比較低，后面幾天溫度逐漸回升，導(dǎo)致了溫差逐漸變小的趨勢。隨著溫差的逐漸變化，裂縫寬度始終保持一種趨勢變化，在0.06 mm范圍內(nèi)變化，說明冬季時(shí)的溫差對(duì)裂縫寬度的影響相對(duì)較小。

3 理論與測試結(jié)果對(duì)比分析

3.1 分析模型建立

為了分析裂縫的擴(kuò)展，因此，選取裂縫所在的一節(jié)段作為分析對(duì)象，利用有限元軟件Abaqus建立三維模型，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測溫度數(shù)據(jù)分析橋塔的溫度場和裂縫的擴(kuò)展情況。

有限元模型和實(shí)體橋塔材料一樣采用C50混凝土(參數(shù)見表1)，以及型號(hào)Φ32、Φ16的鋼材II級(jí)普通鋼筋如圖15，模型邊界條件底部為固結(jié)上頂面(自由端面)。三維模型建立以后進(jìn)行網(wǎng)格的劃分見圖16，首先對(duì)部件模型進(jìn)行切割，目的是為了增加分析結(jié)果的精確性。此過程是模擬在隨時(shí)間變化下，橋塔內(nèi)外溫度的變化情況，得出橋塔節(jié)段內(nèi)外表面的溫度場。然后建立裂縫部件，裂縫參數(shù)以測點(diǎn)2第一個(gè)的測試寬度為0.31 mm，深度為21 mm，長度為30 cm的一條裂縫引入網(wǎng)格模型中。

圖15 鋼筋混凝土模型

圖16 三維實(shí)體網(wǎng)格模型

橋塔的溫度場分析時(shí)不考慮鋼筋作用，分別采用7月28日—31日、1月17日—1月20日所測的溫度作為荷載施加，以幅值A(chǔ)mplitude形式輸入，單元類型選用DC3D8(an 8-node linear heat transfer brick)。分析步設(shè)置時(shí)(以夏季為例)，分析時(shí)間設(shè)置為70，把0當(dāng)做第一個(gè)測試時(shí)刻，夏季測試時(shí)刻長度為3 d即72個(gè)測試時(shí)刻，增量步采用固定增量步，最大增量步的數(shù)量為100，增量步的大小為1。

表1 混凝土C50熱性能參數(shù)Table 1 Thermal performance parameters of concrete C50熱傳導(dǎo)率/w·m-1· ℃-1 密度/kg·m-3 彈性模量/GPa泊松比比熱容/J·kg-1·℃-1 熱膨脹系數(shù)抗拉強(qiáng)度/MPa2.552 40029.50.29301.0 e-52.65

3.2 溫度場下裂縫擴(kuò)展行為對(duì)比分析

橋塔的溫度場分析時(shí)不考慮鋼筋作用，分別采用7月28日—31日、1月17日—1月20日所測的溫度作為荷載施加，以幅值A(chǔ)mplitude形式輸入，單元類型選用DC3D8(an 8-node linear heat transfer brick)。分析步設(shè)置時(shí)(以夏季為例)，分析時(shí)間設(shè)置為70，把0當(dāng)做第一個(gè)測試時(shí)刻，夏季測試時(shí)刻長度為3 d即72個(gè)測試時(shí)刻，增量步采用固定增量步，最大增量步的數(shù)量為100，增量步的大小為1。給出了數(shù)值模擬計(jì)算云圖如圖17、圖18所示。

(a) 溫度場分布情況

(a) 溫度場分布情況

裂縫寬度值以第1天所測值0.31作為初始值，以夏季每天測的內(nèi)外表面溫度值輸入模型作為施加的溫度荷載。每間隔4 h作為一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，分析裂縫1的寬度在3 d內(nèi)的變化值，最后將實(shí)測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比如圖19所示。

圖19 裂縫寬度實(shí)測變化值與計(jì)算變化值

從圖17、圖18中可知裂縫在夏季、冬季溫度荷載作用下，橋塔內(nèi)表面裂縫均沒有擴(kuò)展，與前文實(shí)測裂縫的結(jié)果比較吻合，說明在測試時(shí)間段內(nèi)裂縫沒有明顯的擴(kuò)展。

從圖19可以看出，在實(shí)測數(shù)據(jù)寬度變化值與計(jì)算變化值隨時(shí)間的變化趨勢整體基本一致，同試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，差值都在0.02 mm以內(nèi)，部分時(shí)刻相差較大且整體計(jì)算值略偏小于實(shí)測值，產(chǎn)生這種情況由于理論計(jì)算的寬度變化值僅考慮溫度荷載影響，而實(shí)測值中除了有溫度荷載對(duì)裂縫寬度的影響以外，還有車輛荷載、上部結(jié)構(gòu)荷載作用，以及橋塔本身自重、測量儀器的精確性不足等因素。

4 結(jié)論

a.橋塔沿壁厚方向上的內(nèi)外表面溫差在春、夏、冬3季的變化趨勢一致，正負(fù)溫差的最大值均發(fā)生在冬季，最大值分別為20.4 ℃、-11.5 ℃。

b.通過裂紋觀測發(fā)現(xiàn)，裂紋雖然沒有較大的擴(kuò)展，但是裂紋存在張開和閉合的現(xiàn)象。從塔壁厚度方向溫差與裂紋變化關(guān)系分析表明，裂紋存在溫變特性，即當(dāng)塔壁溫差為正時(shí)，內(nèi)表面出現(xiàn)壓應(yīng)力，裂紋有閉合趨勢，當(dāng)溫差為負(fù)時(shí)，裂紋有張開趨勢。

c.橋塔裂縫在各個(gè)季節(jié)的裂縫寬度隨著溫差、時(shí)間的變化呈現(xiàn)出在一個(gè)寬度數(shù)值上下波動(dòng)，春、冬季的波動(dòng)幅值較小，基本在0.03、0.06 mm；夏季時(shí)較大，在0.14 mm，針對(duì)夏季結(jié)合數(shù)值模擬與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。本研究的結(jié)論對(duì)日后既有混凝土的裂縫縫補(bǔ)和修復(fù)處理有一定的工程借鑒與指導(dǎo)作用，尤其在嚴(yán)寒地區(qū)或者高溫季節(jié)進(jìn)行裂縫修繕時(shí)更有指導(dǎo)意義。