后张梁封端防水治理影响因素的数值模拟

黄 鹏，张 青，郭志强，黄建坤，石志飞

(1.神朔铁路公司 运输管理部，陕西 神木 719316;2.北京交通大学 土建学院，北京 100044)

0 引言

后张预应力梁封端渗漏治理是针对封端新旧混凝土结合处开裂发生渗漏、为提高梁的耐久性而采取的一种必要措施。目前，对于该类病害，已有一些治理方法，如唐山和怀柔北工务段采取“压注封堵”的办法来解决渗漏，以达到投资少见效快的目的。采用在梁体端面加做防水层结合上部铺设防水卷材的方法对神朔线大柳塔—府谷段部分桥梁的渗漏病害进行了整体治理，效果明显。由于封端端面处于支座受力区之外，因此，列车荷载、锚具应力等都不会对端面受力产生影响。而由自然气候产生的温度荷载、材料的热物理性能以及施工缺陷是产生局部应力和发生界面脱黏的主要因素［1-2］，有必要考察这些因素对界面黏结应力的影响，以便在选择防水材料时有充分的依据，对治理效果影响因素的评价，尚未见有报道。

本文采用ANSYS分析软件，对上述问题进行了数值分析，研究了温度、施工缺陷和材料参数等因素对封端力学性能的影响。研究表明所用施工方案是可行的，梁端力学性能对温度、施工缺陷以及材料均具有可容性。

1 模型简化

神朔线府谷段大多为桥梁厂生产的32 m跨度T形截面后张梁。在进行病害治理时，工序大致如下:基面清理和凿毛、刷4 mm厚防水砂浆、再刷2 mm厚防水涂料。为便于分析又能满足工程精度要求，做如下简化:①将32 m T形梁端截面简化为截面为800 mm×1 000 mm、长度为1 000 mm的悬臂梁;②防水砂浆取施工中的平均厚度4 mm，防水涂料厚度取2 mm，③梁体施工温度取15℃，梁体上下左右4面设置空气对流条件。大量试验研究表明［3-4］，温度荷载中，以变化急剧的日照温差对混凝土结构的影响比长期缓慢的年气温荷载要大得多，所以，从最不利情况出发，只考虑梁端日照温度变化的影响。设定梁端温度变化范围为-30℃ ～30℃，温度变化间隔为10℃。分析模型及其它参数如图1和表1所示。

图1 梁端防水层示意

表1 混凝土梁体、防水砂浆和防水涂料相关参数

2 数值仿真与结果分析

在本文的数值模拟中，选用ANSYS提供的具有8个节点的三维实体单元 SOILD5，而后对温度变化、施工缺陷以及材料参数变化等各种影响因素进行分析。

2.1 施工缺陷影响分析

假定防水涂料和防水砂浆黏结面上存在矩形脱黏(如图2)，温度从-30℃变化到30℃时，脱黏角点 A处的应力变化如图3所示;当梁端端面温度为30℃时，梁端温度正应力云图如图4所示。

图2 界面脱黏位置示意

图3 A点处应力随温度变化曲线

图4 梁端温度正应力分布云图

图5 各点位置示意图

计算发现，当梁端面中部防水涂料和防水砂浆黏结面上存在很小的矩形，最大正应力和最大剪应力均成线性变化规律，矩形脱黏界面周边的最大正应力从-2.25 MPa变化到0.75 MPa，而最大的剪应力则从-0.4 MPa变化到1.2 MPa(如图3)，最大拉应力出现在梁端端面温度最高时。当梁端端面温度为30℃时，从梁端温度正应力分布云图可以看出，温度变化引起的黏结界面上的应力变化主要集中在拐角点附近，且该处应力明显大于其它部位的应力(如图4(a))。矩形脱黏角点A处出现应力集中现象(如图4(b))，但是A点此时并非应力最大处。

进一步，假定防水涂料和防水砂浆黏结面上存在圆形脱黏(如图5)，温度从 -30℃变化到30℃时，脱黏面上1、2点处的应力变化如图6和图7所示。当梁端端面温度为30℃时，梁端温度应力云图如图8所示。

计算发现，当梁端面中部防水涂料和防水砂浆黏结面上存在很小圆形脱黏时，最大正应力和最大剪应力也成线性变化规律。从应力变化规律图和应力分布云图可以看出，圆形脱黏区域比方形脱黏区域引起的梁端部应力要小得多，温度变化引起的黏结界面上的应力变化同样主要集中在拐角附近，同时圆形脱黏区附近的应力分布更加均匀(如图8)。

图6 1号点应力随温度变化曲线

图7 2号点应力随温度变化曲线

另外，在计算防水层与实体梁黏结完好工况时发现，应力集中仅发生在拐角附近。因此，梁端面中部的施工小缺陷，对梁端整体力学性能影响不大。工程中做好拐角处的圆弧处理是避免防水层开裂的有效手段。

图8 梁端温度正应力和剪应力分布云图

2.2 弹性模量变化影响分析

图9分别给出了25℃时，黏结界面上最大正应力和最大剪应力随防水砂浆弹性模量变化而变化的关系曲线。

图9 黏结面上应力随防水砂浆弹性模量变化曲线

计算发现，梁体温度为25℃时，黏结面上最大正应力与防水砂浆弹性模量成非线性关系(如图9(a))。防水砂浆弹性模量从10 GPa变化到100 GPa时，最大正应力在0.74～0.78 MPa范围内变化;同样的梁体温度，计算还发现，黏结面上最大剪应力与防水砂浆弹性模量也成非线性关系(如图9(b))，防水砂浆弹性模量从10 GPa变化到100 GPa时，最大剪应力在-0.36～-0.22 MPa范围内变化。

2.3 热膨胀系数变化影响分析

图10给出了25℃时，混凝土热膨胀系数、防水砂浆热膨胀系数和防水涂料热膨胀系数分别变化时，防水砂浆与实体梁黏结界面上最大正应力和最大剪应力的变化曲线。

梁体温度为25℃，混凝土热膨胀系数、防水砂浆热膨胀系数和防水涂料热膨胀系数分别变化时，计算发现:防水砂浆与实体梁黏结界面上最大轴向正应力和最大剪应力的变化规律均呈线性关系。其中，以混凝土梁的热膨胀系数对黏结界面的应力影响最大，当混凝土热膨胀系数从0.9×10-5变化到1.5×10-5时，界面上最大轴向正应力在0.75～1.5 MPa范围内变化，而最大剪应力从-0.32 MPa变化到-0.52 MPa。

图10 黏结界面上应力随材料热膨胀系数变化

3 结论

数值分析表明，针对梁端面涂刷防水砂浆和防水涂料两道防水工序，无论是材料参数变化还是施工小缺陷，对梁端整体力学性能影响均不大。由于普通防水砂浆与混凝土的黏结强度只能达到0.2 MPa到1.2 MPa［5］，不能满足具有较高要求的工程需求;而聚合物类防水砂浆的黏结强度能够达到1.2 MPa以上，这就为防水材料的选用提供了较大的范围。

［1］中华人民共和国铁道部.TB10002.1—2005 铁路桥涵设计基本规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［2］中华人民共和国交通部.JTGD60—2004 公路桥涵设计通用规范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［3］KEHLBECK F.太阳辐射对桥梁结构的影响［M］.北京:中国铁道出版社，2000.

［4］中华人民共和国铁道部.TB1002.3—2005 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［5］叶琳昌，叶筠.建筑物渗漏水原因与防治措施［M］.北京:中国建筑工业出版社，2008.