吳云鵬， 陳經(jīng)偉, 周天應(yīng)

(1.中交第四航務(wù)工程局有限公司，廣東 廣州 510290； 2.中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 上海市 200070； 3.中國(guó)港灣工程有限責(zé)任公司， 北京市 100027)

鋼筋混凝土箱梁是大跨度橋梁最常見(jiàn)的主梁形式之一，而橋梁箱梁的裂縫是一個(gè)仍未解決好的問(wèn)題。矮塔斜拉橋在中國(guó)正處于應(yīng)用發(fā)展階段，在主跨徑不斷增大、主梁形式各異及其結(jié)構(gòu)趨薄、索塔錨固構(gòu)造多樣和橋面趨寬的情況下，箱梁裂縫更是呈現(xiàn)出各種不同形式，其成因也各不相同。近年來(lái)，雖然有些相關(guān)研究[1-4]，但有關(guān)矮塔斜拉橋箱梁底板防裂的成果少見(jiàn)。該文依托四川南充某單塔雙索面矮塔斜拉橋?qū)嶋H工程施工，采用有限元計(jì)算對(duì)庫(kù)區(qū)矮塔斜拉橋箱梁的底板裂縫進(jìn)行成因分析，可為同類(lèi)橋梁設(shè)計(jì)施工提供參考。

1 工程概況

1.1 設(shè)計(jì)概況

大橋主橋采用單索面矮塔斜拉結(jié)構(gòu)，墩塔梁固結(jié)體系，跨徑組合為(122+220+122) m，主橋全長(zhǎng)464 m，橋型布置如圖1所示。主梁采用單箱三室大懸臂變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁(圖2)，采用掛籃懸臂現(xiàn)澆法施工方案。該文主要針對(duì)出現(xiàn)裂縫的7#節(jié)段(無(wú)索區(qū))進(jìn)行計(jì)算分析，7#梁節(jié)段梁長(zhǎng)4 m，前后端梁高5.967 m，底板厚0.671 m，寬18.164 m，邊腹板厚0.6 m，中腹板厚0.5 m，重406.3 t。

圖1 橋梁總體布置圖(單位：m)

圖2 橋梁斷面示意圖(單位：cm)

1.2 裂縫概況

各梁段施工初期發(fā)現(xiàn)，混凝土澆筑后，拆除底模即發(fā)現(xiàn)部分底板出現(xiàn)少量不同長(zhǎng)度、不同方向的裂縫，主梁底板裂縫檢測(cè)結(jié)果如下：縱向裂縫最長(zhǎng)1.2 m，寬0.12～0.30 mm；斜向裂縫最長(zhǎng)1.8 m，寬0.14～0.40 mm。底板裂縫基本位于后澆梁段根部與新老混凝土結(jié)合處。

2 計(jì)算荷載及組合

2.1 計(jì)算荷載

① 模板、支架自重：1.5 kPa；② 主梁自重：混凝土重度取26 kN/m3；③ 施工人員及施工設(shè)備材料等荷載：2.0 kPa；④ 振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的振動(dòng)荷載：2.0 kPa；⑤ 風(fēng)荷載：0.3 kPa；⑥ 水化溫差：混凝土澆筑后經(jīng)歷了升溫與降溫兩個(gè)過(guò)程，對(duì)橋梁的實(shí)測(cè)表明：在腹板厚度方向，存在溫度梯度，對(duì)于30 cm的腹板厚度而言最大溫差5 ℃左右，而對(duì)60 cm的腹板厚度而言一般在7 ℃左右。最大溫差一般發(fā)生在澆筑20 h后，4～5 d溫差消失，結(jié)構(gòu)溫度與環(huán)境溫度趨于一致。因此，腹板梯度溫差取6 ℃，底板梯度溫差取8 ℃；⑦ 日照溫差：無(wú)論是規(guī)范還是實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均表明在太陽(yáng)輻射作用下，混凝土箱梁沿截面高度的溫度分布是非線性的。雖然腹板橫向溫差一般不大，在正常情況下對(duì)50 cm厚的腹板而言，外側(cè)與內(nèi)側(cè)溫差也只有3～4 ℃。但在惡劣天氣條件下，這種內(nèi)外溫差可能更大。該橋取內(nèi)外溫差3～4 ℃計(jì)算；⑧ 整體溫差：體系降溫5 ℃。

2.2 荷載組合

根據(jù)JTG/T F50—2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》5.2.6節(jié)規(guī)定進(jìn)行荷載組合，具體見(jiàn)表1。

表1 荷載組合

2.3 計(jì)算模型

根據(jù)該橋計(jì)算內(nèi)容，采用混合單元法進(jìn)行建模分析?；旌蠁卧Ｐ椭?，掛籃采用梁?jiǎn)卧M，箱梁采用實(shí)體單元模擬。全橋共計(jì)3 297個(gè)節(jié)點(diǎn)，3 107個(gè)單元。

懸臂端部混凝土節(jié)點(diǎn)不約束，懸臂根部與已澆筑完成的混凝土結(jié)合面處混凝土節(jié)點(diǎn)采用鉸接約束，掛籃縱橫梁與實(shí)體混凝土僅豎向提供單向支撐，掛籃后錨節(jié)點(diǎn)以及吊帶端點(diǎn)采用鉸接約束。考慮混凝土模板為平整、光潔的表面和脫模劑作用，計(jì)算模型未計(jì)模板表面對(duì)混凝土的切向約束作用。

3 應(yīng)力分析及防裂措施

3.1 單項(xiàng)荷載應(yīng)力

圖3為自重作用下箱梁底板頂、底面應(yīng)力圖(上圖為頂面、下圖為底面。后文同)。由圖3可知：頂、底面新老混凝土交界面附近應(yīng)力為-0.3 MPa左右，自重及掛籃變形對(duì)底板混凝土應(yīng)力影響較小。

圖3 自重作用下底板頂、底面應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖4為水化溫差作用下底板頂、底面應(yīng)力圖。由圖4可知：頂、底面新老混凝土交界面附近應(yīng)力基本為3.0 MPa左右，橫向基本滿布整個(gè)底板頂面，底板混凝土拉應(yīng)力基本超過(guò)混凝土抗拉設(shè)計(jì)值。

圖4 水化溫差作用下底板頂、底面應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖5為日照溫差作用下底板頂?shù)酌鎽?yīng)力圖。

圖5 日照溫差作用下底板頂、底面應(yīng)力圖(單位：MPa)

由圖6可知：底板頂面新老混凝土交界面附近應(yīng)力為1.2 MPa左右，底板底面新老混凝土交界面附近應(yīng)力為-0.3 MPa左右，橫向基本滿布整個(gè)底板底面。

圖6為整體降溫作用下底板頂、底面應(yīng)力圖。由圖6可知：頂、底面新老混凝土交界面附近應(yīng)力為1.0 MPa左右，橫向基本滿布整個(gè)底板頂面，縱向由新老混凝土交界面向前端延伸0.5～2.0 m。

圖6 整體降溫作用下底板頂、底面應(yīng)力圖(單位：MPa)

3.2 組合荷載應(yīng)力

根據(jù)各主梁段施工初期現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況，底板裂縫為順橋梁走向、且集中分布出現(xiàn)在分段現(xiàn)澆混凝土新老接縫交界部位，底板縱向裂縫最長(zhǎng)1.2 m，寬0.12～0.30 mm；斜向裂縫最長(zhǎng)1.8 m，寬0.14～0.40 mm。該文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)裂縫狀況和組合荷載計(jì)算應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比分析。

圖7、8為組合Ⅰ作用下底板頂、底面應(yīng)力圖。由圖7、8可知：頂、底面新老混凝土交界面附近應(yīng)力為2.0 MPa左右，橫向基本滿布整個(gè)底板頂面，混凝土拉應(yīng)力基本超過(guò)混凝土抗拉設(shè)計(jì)值。應(yīng)力最大位置基本與裂縫發(fā)展區(qū)域吻合。

圖7 組合Ⅰ作用下底板頂面應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖9、10為組合Ⅱ作用下底板頂、底面應(yīng)力圖。由圖9、10可知：頂、底面新老混凝土交界面附近應(yīng)力基本為-0.6～0.6 MPa，橫向基本滿布整個(gè)底板頂面，混凝土拉應(yīng)力尚未超過(guò)混凝土抗拉設(shè)計(jì)值。

圖8 組合Ⅰ作用下底板底面應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖9 組合Ⅱ作用下底板頂面應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖10 組合Ⅱ作用下底板底面應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖11、12為組合Ⅲ作用下底板頂、底面應(yīng)力圖。由圖11、12可知：頂、底面新老混凝土交界面附近應(yīng)力為1.0 MPa左右，橫向基本滿布整個(gè)底板，混凝土拉應(yīng)力尚未超過(guò)混凝土抗拉設(shè)計(jì)值。

圖11 組合Ⅲ作用下底板頂面應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖13為組合Ⅳ作用下底板頂、底面應(yīng)力圖。由圖13可知：頂、底面新老混凝土交界面附近應(yīng)力基本為4.0 MPa，橫向基本滿布整個(gè)底板頂面，底板混凝土拉應(yīng)力完全超過(guò)混凝土抗拉設(shè)計(jì)值。應(yīng)力最大位置基本與裂縫發(fā)展區(qū)域吻合。

圖12 組合Ⅲ作用下底板底面應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖13 組合Ⅳ作用下底板頂、底面應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖14為組合Ⅴ作用下底板頂、底面應(yīng)力圖。由圖14可知：頂、底面新老混凝土交界面附近應(yīng)力增加，基本為4.9 MPa，橫向基本滿布整個(gè)底板頂面，混凝土拉應(yīng)力完全超過(guò)混凝土抗拉設(shè)計(jì)值。應(yīng)力最大位置基本與裂縫發(fā)展區(qū)域吻合。

圖14 組合Ⅴ作用下底板頂、底面應(yīng)力圖(單位：MPa)

5種荷載組合作用下底板頂、底面應(yīng)力圖見(jiàn)圖15、16。

圖15 組合作用下底板頂面應(yīng)力圖

3.3 成因分析[5-6]

(1) 自重及掛籃剛度對(duì)底板應(yīng)力影響較小。

圖16 組合作用下底板底面應(yīng)力圖

(2) 水化溫差作用下底板拉應(yīng)力較大，單項(xiàng)荷載應(yīng)力即超過(guò)混凝土抗拉設(shè)計(jì)值。

(3) 日照溫差及整體降溫對(duì)底板應(yīng)力影響不大。

(4) 組合Ⅰ(自重、水化溫差)作用下，底板拉應(yīng)力較大，基本超出混凝土抗拉設(shè)計(jì)值。該組合對(duì)底板的影響范圍基本在新舊混凝土接縫前端1.5～4.0 m范圍，應(yīng)力最大位置基本與裂縫發(fā)展區(qū)域吻合。

(5) 組合Ⅳ(各種作用疊加)作用下，底板拉應(yīng)力較大，基本超出混凝土抗拉設(shè)計(jì)值。該組合對(duì)底板的影響范圍基本在新舊混凝土接縫前端0.5～2.5 m范圍，應(yīng)力最大位置基本與裂縫發(fā)展區(qū)域吻合。

(6) 水化溫差是影響底板應(yīng)力的主要因素。

(7) 在后續(xù)混凝土養(yǎng)護(hù)期間，由于混凝土收縮將加劇箱梁主拉應(yīng)力。

3.4 防裂措施

結(jié)合以上施工裂縫成因分析，針對(duì)水化、日照和整體溫差等影響裂縫的主要因素，在后續(xù)箱梁施工中采取如下防裂處置措施，從而有效防止了底板裂縫問(wèn)題，效果良好。

(1) 混凝土容易產(chǎn)生裂縫的時(shí)段為混凝土水化熱最大、強(qiáng)度較低的初凝階段，為降低混凝土水化熱，需有針對(duì)性地優(yōu)化配合比，采用雙摻技術(shù)，使用大摻量粉煤灰、硅粉代替水泥用量來(lái)降低水化熱[7-10]。

(2) 調(diào)整混凝土的緩凝時(shí)間，從原來(lái)8 h調(diào)整至16 h，以達(dá)到消除混凝土澆筑過(guò)程中各種情況產(chǎn)生的形變對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，腹板裂縫明顯減少。

(3) 降低混凝土的入模溫度，在澆筑前可采取降低骨料的溫度，冷卻拌和用水等措施，從而降低混凝土在水化過(guò)程中其內(nèi)部的溫度。

(4) 箱梁混凝土的養(yǎng)護(hù)要遵循“內(nèi)降外保”的原則，在箱梁混凝土澆筑后，要注意通過(guò)覆蓋灑水的方式維持箱梁混凝土表面的溫度。

(5) 減小底模對(duì)箱梁底板的約束作用，底模的平整度、光滑度至關(guān)重要，可通過(guò)涂刷脫模劑，在底模上鋪設(shè)一層紙板等措施減小底模對(duì)底板的約束作用。

4 結(jié)論

(1) 混凝土澆筑養(yǎng)護(hù)期間的溫度變化即水化熱溫差、日照溫差、整體降溫及其組合因素是產(chǎn)生大尺寸箱梁底板裂縫的主要誘因。

(2) 對(duì)7#節(jié)段箱梁底板應(yīng)力作用采用混合單元模擬計(jì)算，在水化溫差作用下底板拉應(yīng)力較大，單項(xiàng)荷載應(yīng)力即超過(guò)混凝土抗拉設(shè)計(jì)值，Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ組合工況時(shí)底板應(yīng)力分別達(dá)2.0、4.0、4.9 MPa，大于抗裂允許值,其與實(shí)際出現(xiàn)裂縫的范圍相吻合，證明混合單元模擬計(jì)算方法合理。

(3) 箱梁混凝土施工時(shí)采取雙摻技術(shù)降低水化熱、延長(zhǎng)終凝時(shí)間至16 h、降低混凝土入模溫度以及“內(nèi)降外?！别B(yǎng)護(hù)等措施，能較好地控制底板裂縫問(wèn)題。