大跨度连续刚构桥0号块开裂计算分析及预防措施

■陈 峻

（江苏中设集团股份有限公司，无锡 214072）

大跨度连续刚构桥0号块开裂计算分析及预防措施

■陈 峻

（江苏中设集团股份有限公司，无锡 214072）

本文以湖南湘西州龙永高速第十一标段红岩溪特大桥为依托工程，参考之前同类桥梁的施工与设计分析，针对刚构桥0号块施工过程，通过对结构进行应力和裂缝可能产生位置的分析，并根据主要影响因素提出相应的预防措施，减少或预防0号块在浇筑过程中可能产生的温度裂缝。

连续刚构桥 0号块 温度裂缝 设防错误

1 工程概况

龙永高速公路红岩溪特大桥位于湖南省湘西自治州，上部结构跨径布置为116m+220m+116m的预应力混凝土连续刚构桥，横断面为单箱单室箱形截面。箱梁梁高、底板厚度均按1.8次抛物线变化。箱梁根部梁高（箱梁中心线）1340cm，跨中梁高（箱梁中心线）400cm。箱梁顶板全宽为1200cm，厚度为30cm，刚构根部顶板加厚至60cm，设有2%的单向横坡。箱梁底板宽度为650cm，厚度为 120cm～32cm。腹板厚度分别为 105cm、95cm、80cm、65cm及50cm。箱梁在墩顶处设2个100cm厚的横隔板，在边墩墩顶梁端处设200cm厚的横隔板，在四分点位置和主跨跨中位置设置40cm厚的横隔板。梁体混凝土设计强度为C55。本文采用ANSYS有限元分析软件，以红岩溪特大桥6号墩墩顶0号块为工程依托，模拟施工过程分析计算在外界条件作用下结构受力性能。大桥立面图和6号墩墩顶0号块纵向和横向断面图分别见图1和图2。

2 0号块结构有限元模型分析

0号块分析采用ANSYS有限元模型，结构纵向长12.0m，横向桥宽12.0m，全高13.4m，底板位置厚度为1.2m。由于0号块主要受水化热及收缩徐变的影响，因此以SOLID65单元模拟实体结构。为模拟实际情况，建模时在结构底面添加了0.5m高墩身结构，并在墩底固结，以避免在0号块底面产生应力集中现象。0号块单元划分尺寸为0.15m，附加墩身划分尺寸为0.30mm。由于结构对称，建模时可先由1/4镜像生成。

分析中模拟了大体积混凝土分层浇筑的施工过程，共分三次浇筑，每次时间间隔为3d。采用瞬态热分析计算0号块结构在水化热作用下的温度场，然后将求得的温度场效应施加至结构中，计算0号块在水化热作用下的温度应力。

图1 红岩溪特大桥连续刚构立面图（单位：cm）

图2 6号墩墩顶0号块纵向和横向断面图（单位：cm）

3 0号块结构施工过程受力分析及主要控制措施

由结构有限元热分析可知，0号块结构浇筑完成后因水化热等作用，容易产生温度裂缝，针对计算结果以及建成的各类型刚构桥的裂缝病害，提出能在一定程度上改善0号块前期裂缝的不利影响。大体积混凝土浇筑通常会采用分层浇筑的方式，以降低结构内外温差，故可通过探讨分层浇筑时的各层浇筑量（或者是浇筑层高）、浇筑前后两层间隔的龄期长短等对于减小水化热影响的作用。

3.1 分层浇筑的层高选取

在常规施工过程中，0号块分三层浇筑，第一层由墩顶位置到底板与腹板交接处，混凝土浇筑量为188.6m3，第二层往上至距离顶面3.7m位置，混凝土浇筑量为301.3m3，第三层一直到顶面，混凝土浇筑量为211.2m3。由此可见，第一层与第二层浇筑的混凝土量相差较大，为减小两者的差异，可以考虑适当上调第一层与第二层之间的施工缝位置，在建议中将其设置在横隔板过人洞上端。图3为施工缝留在横隔板过人洞顶端位置是的水化热产生的主拉应力云图。图中横向的两条细线即为建议上调第一、二层之间的施工缝位置后的三层之间的分隔位置。

图3 水化热产生的主拉应力云图

通过平衡第一层与第二层的混凝土浇筑量，减小第二次浇筑量来降低混凝土水化热产生的结构内外温差，以达到减小混凝土受到的主拉应力。上调第一、二层之间的施工缝后，第一层的混凝土浇筑量调整为239.4m3，第二层的混凝土浇筑量调整为250.5m3。前述已经分析了1/4结构在原方案中的水化热产生的主拉应力云图，现采用同样的ANSYS分析方法，计算结构在建议方案中的水化热。为直观清晰的体现结构内部整体主拉应力分布，此次取1/2结构计算。图4为施工缝留在底板与腹板交接位置时的水化热产生的主拉应力云图。图中横向的两条细线即为分层浇筑时三层之间的分隔位置。

图4 原方案水化热产生的主拉应力云图

由图4可知，原方案中的腹板外侧的主拉应力主要分布在2.48～4.52MPa之间，而当第一层与第二层之间的施工缝设置在过人洞顶端时，腹板外侧的主拉应力主要分布在1.00～3.30MPa之间。现在腹板高度中间位置，沿桥纵向内侧取4个应力参考点，分别提取在两种浇筑方案情况下，各点的主拉应力值。

图5为两种浇筑方案水化热效应的腹板应力图示。

图5 两种浇筑方案水化热效应的腹板应力

建议方案是在原方案的基础上，上调了第一层与第二层之间的施工缝，从底板与腹板交接处改为横隔板过人洞顶端，适当平衡了前两次的混凝土浇筑量。由图5改进之后水化热对腹板主拉应力的影响可知，在腹板中部选取的四个应力点的主拉应力产生了不同程度的下降，幅度在7.3%～18.2%之间，这对于大体积混凝土来说，在预防浇筑过程中水化热对结构开裂的影响有一定的作用。

3.2 线膨胀系数的影响

混凝土因自身材料特性或者外界温度影响时，会产生膨胀或收缩。线膨胀系数（lt）也称为线弹性系数，是指单位长度材料每升高1℃时的伸长量。实际工程施工过程中，不可避免会掺加一定的外加剂，比如早强剂等，当外加剂掺入量增大时，混凝土的线膨胀系数也会随之增大。为探究线膨胀系数大小对混凝土的主拉应力的影响，现取三种线膨胀系数值0.9×10-5，1.1×10-5，1.3×10-5，分别计算结构水化热效应，取腹板高度中间位置，沿桥纵向外侧六等分点作为应力参考点来比较。

图6为线膨胀系数取1.1×10-5时的主拉应力云图。对比前述线膨胀系数为0.9×10-5时的主拉应力云图 （图3），0号块的主要的主拉应力分布情况基本一致，最大主拉应力值有一定的增大。

图7为线膨胀系数取1.3×10-5时的主拉应力云图。对比线膨胀系数为1.1×10-5时的主拉应力云图，0号块的主要的主拉应力分布情况也基本一致，最大主拉应力值也有一定的增大。

图8为不同线膨胀系数下0号块主拉应力对比图。

由图8可知，当线膨胀系数从0.9×10-5增大到1.1× 10-5时，腹板应力点的主拉应力值增幅在20.1%～21.5%之间，当线膨胀系数从1.1×10-5增大到1.3×10-5时，腹板应力点的主拉应力值增幅在17.9%～18.1%之间。由此可知，当混凝土材料内的外加剂会影响结构浇筑完成后主拉应力值。因此，在实际施工过程中应根据需要严格控制外加剂的掺入量，防止含量过多对结构产生影响。

图6 水化热产生的主拉应力云图（lt=1.1×10-5）

图7 水化热产生的主拉应力云图（lt=1.3×10-5）

图8 不同线膨胀系数（lt）下主拉应力对比图

3.3 浇筑温度的影响

根据 《混凝土结构工程施工规范》（GB50666-2011）规定，混凝土拌合物的入模温度不应低于5℃，且不应高于35℃。当日平均气温高于35℃时，需采取降温措施，使混凝土入模温度不能高于35℃；当日平均气温低于5℃时，需采取保温措施，使混凝土入模温度不能低于5℃。为探讨混凝土浇筑温度对于结构主拉应力的影响，现分别在浇筑温度为30℃、20℃、10℃时0号块的主拉应力云图，此时三种情况下的每层浇筑层高、材料线膨胀系数均为同等条件。图9和图10为浇筑温度为20℃和10℃时的主拉应力云图。

鉴于前述应力分析均在浇筑温度为30℃时进行 （图3），腹板外侧的主拉应力主要分布在1.00～3.30MPa之间，因此只需计算余下两种情况。

图9为浇筑温度为20℃时的0号块主拉应力云图，腹板外侧的主拉应力主要分布在0.91～2.82MPa之间。与图3相比可知，主拉应力分布趋势基本相似，应力值略有不同。

图10为浇筑温度为10℃时的0号块主拉应力云图，腹板外侧的主拉应力主要分布在1.33～3.13MPa之间。与前两种情况相比可知，主拉应力分布趋势也基本相似，应力值也略有不同。

图9 浇筑温度为20℃时的主拉应力云图

图10 浇筑温度为10℃时的主拉应力云图

现在0号块中心高度位置腹板外侧，沿z轴方向取五等分点作为应力点，在三种浇筑温度下的主拉应力值，如图11所示。

图11 不同浇筑温度（t0）时腹板应力点主拉应力

由图11可知，随着混凝土浇筑温度的降低，0号块腹板应力也随之减小。当浇筑温度由30℃降为20℃时，主拉应力值下降幅度在1.7%～2.5%之间，当浇筑温度由30℃降为10℃时，主拉应力值下降幅度在4.7%～16.7%之间。由此可见，在规范规定的浇筑温度范围内，降低混凝土浇筑温度，对减小结构受到的主拉应力起到一定的作用。

4 预防温度裂缝的其他措施

除上述适当调整分层浇筑的混凝土用量，控制混凝土外加剂的掺量以及降低混凝土的入模温度等措施，在施工过程中也可采用其他的方法来预防0号块开裂。

（1）结构在腹板、顶板、底板以及横隔板交接位置的各倒角处承受主拉应力较大，是容易产生应力集中的地方，在这些位置可设置构造钢筋以加强抗裂强度。

（2）本次浇筑的混凝土采用C55高标号水泥，较普通C30、C40等水泥水化热释放的热量会高出很多。因此，在浇筑大体积混凝土结构时，建议采用低水化热、收缩量小的水泥材料。

（3）由于0号块体积较大，在施工过程中分层浇筑，为了保证两层之间的施工缝的质量，应保证浇筑面的凿毛达到要求，并清理整修完好。浇筑下一层混凝土时需振捣充实。

（4）每层混凝土浇筑完成后，需覆膜保养，保持混凝土表面湿度，注意0号块内部的散热。按时观测，及时发现是否产生新生裂缝。

5 小结

对于0号块在浇筑前期易受水化热、收缩等因素产生裂缝，提出在三个方面作改进措施。首先，适当提高了分层浇筑的层高设置，由腹板应力测试点结果可知，主拉应力减小的效果良好，减小幅度在7.3%～18.2%之间；然后，控制外加剂的掺量以保证混凝土线膨胀系数值较小，结果表明，当线膨胀系数从0.9×10-5增大到1.1×10-5时，腹板应力点的主拉应力值增幅在20.1%～21.5%之间，从1.1×10-5增大到1.3×10-5时，增幅在17.9%～18.1%之间；最后，当在规定范围内将混凝土浇筑温度由30℃降为20℃时，主拉应力值下降幅度在1.7%～2.5%之间，当由30℃降为10℃时，下降幅度在4.7%～16.7%之间。

在大体积混凝土施工中，为防止产生温度、收缩裂缝，应在分层浇筑时适当均衡每次的混凝土浇筑量，严格控制外加剂的掺量以减小混凝土线膨胀系数的影响，在条件允许的情况下控制混凝土的入模温度，降低水化热的生热量。

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