新老桥墩混凝土防收缩开裂措施数值模拟与试验研究

谢益平， 李德旺， 朱毅卿， 张文学

(1. 中铁十二局集团第七工程有限公司，湖南 长沙 410004；2. 北京工业大学城市建设学部，北京 100124)

随着经济的发展，为满足实际的需要，进行了一系列桥梁的改扩建工程。在实际工程中，在既有桥墩的承载力满足要求的前提下可进行再利用，在既有桥墩的基础上新浇筑桥墩。然而，既有桥墩浇筑完成都在1 a以上，此时浇筑的新桥墩混凝土和已浇筑完成的老桥墩混凝土之间形成新老混凝土结构，防护措施不足常导致新老混凝土开裂现象。裂缝的发展对结构的耐久性产生不利影响，从而降低其使用寿命。

相关学者对新老混凝土结构进行研究，张菊辉、季佳凤、沙建芳等[1-3]对新老混凝土的界面性能进行了研究，研究表明：新混凝土强度对新老混凝土界面的黏结性能的影响有限，人工凿毛、高压水射、露骨剂等是提高新老混凝土粘结强度的有效处理方式。聂建国[4]通过对加宽混凝土旧桥的研究，表明了新老混凝土界面的极限抗剪强度由混凝土强度、界面粗糙程度和摩擦系数共同确定。张润德等[5]研究表明采用分段浇筑施工可以在降低温度拉应力的同时释放混凝土部分收缩。张文学等[6]研究了二次振捣下混凝土的收缩情况，结果表明：可以降低混凝土3 d龄期收缩量的30%以上并提高混凝土抗压强度。Rui Rao等[7]的研究也表明二次振捣有助于填充部分空隙和裂缝，进而提高混凝土的机械强度。目前对于新老混凝土结构的防开裂研究较少且大多关注对新老混凝土界面收缩状态进行研究；对于实际工程中新老混凝土结构早期开裂改善措施的运用及效果研究也较少。

本文从新老混凝土收缩不同步角度出发，以南沙港公铁两用桥为工程背景，利用ANSYS有限元软件建立新老桥墩的混凝土结构模型，并在ANSYS模拟量化分析的基础上依托实际工程进行现场试验，对采取老混凝土提前洒水润湿和新混凝土二次振捣的新浇筑桥墩混凝土的收缩应变数据进行整理和分析，对实际施工过程有重要指导意义。

1 工程概况

南沙港公铁两用桥是在既有广中江高速公路鸡鸦水道桥的基础上改扩建而成。施工时需将原有桥墩顶部切除一部分，在切除后的既有桥墩上重新浇筑一部分桥墩。桥墩切除后如图1所示。

图1 现场主墩切除

南沙港公铁两用桥679#墩既有桥墩高度11 m，新浇筑桥墩高度5.6 m。桥墩尺寸如图2所示。

图2 桥墩尺寸及测点布置(单位：mm)

2 有限元模型的建立

2.1 建立有限元模型

建立有限元模型时，既有桥墩和新浇筑桥墩均采用8节点Solid45实体单元进行建模，既有桥墩与新浇筑桥墩接触面处节点完全耦合。其中，混凝土线膨胀系数均为1×10-5/℃，泊松比为0.2，混凝土密度为2 650 kg/m3。

根据工程实际情况，利用ANSYS有限元软件建立既有桥墩加新浇筑桥墩实体模型进行模拟分析。为了更好的计算新浇筑混凝土的收缩应力，在网格划分时，对新混凝土局部进行加密处理。有限元模型如图3所示。

图3 有限元模型

利用混凝土热胀冷缩的物理性质，采用“等效降温法”模拟混凝土的收缩情况，将其收缩应变等效换算为施加在混凝土上的温度载荷[8,9]，如公式(1)所示：

εsh(t,ts)=α·ΔT

(1)

式中：εsh(t,ts)为t时刻混凝土收缩应变；ts为混凝土收缩时刻的对应龄期；α为混凝土线膨胀系数；ΔT为换算的当量温差。

2.2 材料参数模型

(1)弹性模量计算模型：本文采用欧洲CEB-FIP90[10]模式规范建议的公式对新浇筑混凝土的弹性模量进行计算，如公式(2)所示：

(2)

式中：Ec,28为28 d混凝土的弹性模量，封铰混凝土与上下转盘混凝土等级均为C50，Ec,28取3.45×104MPa；s取决于水泥品种，普通硅酸盐水泥取0.25。

(2)混凝土收缩计算模型：常用的混凝土收缩应变预测模型规定混凝土收缩开始龄期为3～7 d，而混凝土收缩绝大部分是在早期完成的[11]。因此，本文在《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362-2018)收缩应变预测模型的基础上提出了可考虑混凝土早期收缩应变的预测模型，并且引入二次振捣修正系数对收缩情况进行研究分析，拟合曲线方程通式见式(3)和式(4)[6]：

(3)

K=1-0.05t′

(4)

3 数值模拟分析

当浇筑新混凝土时，对老混凝土提前洒水润湿，老混凝土会膨胀后进行二次收缩，从而降低老混凝土的约束作用，减少新浇筑混凝土的早期收缩应力；二次振捣可有效降低新浇混凝土收缩应变。因此在实际工程中采取对老混凝土提前洒水润湿、新浇筑混凝土二次振捣的措施。老混凝土洒水膨胀后的二次收缩只包括干燥收缩，因此膨胀后二次收缩速率较小[12]。本文膨胀后二次收缩速率取为1/3、以润湿6 h为例进行定量分析，通过升温法实现混凝土膨胀。

为了更直观的看出新浇筑桥墩振捣方式及既有桥墩润湿情况对新浇筑桥墩收缩应力的影响，运用ANSYS有限元软件进行模拟，并与新浇筑桥墩一次振捣、既有桥墩不进行洒水润湿情况下的收缩应力进行对比，如图4所示。

从图4可以看出采取对既有桥墩进行洒水润湿、对新浇筑混凝土进行二次振捣的方式可以明显减少新浇筑桥墩的收缩应力，这将极大改善新浇筑桥墩混凝土早期开裂的问题。

图4 不同条件下的应力对比

4 现场试验分析

4.1 试验目的

为进一步探究该措施在实际工程中的效果，以南沙港铁路鸡鸦水道公铁两用桥改扩建工程为依托，对既有桥墩基础上新浇筑桥墩混凝土的收缩应变进行了现场实测。

679#墩是利用原公路桥墩改造而成，既有桥墩混凝土已浇筑完成1 a以上，新老混凝土接头处会出现开裂问题。在既有桥墩和新浇筑混凝土接触面及接触面以上新浇筑混凝土位置处埋设传感器，测量新浇筑混凝土的收缩应变，观察各测点之间的收缩应变关系。

4.2 试验测点布置

首先在新老混凝土接触面位置处设置4个传感器测点，记为测点1-1、2-1、3-1、4-1，其他测点依次布置在距离1-1、2-1、3-1、4-1测点从下至上5 cm、25 cm、45 cm、65 cm处，测点布置如图2所示。

4.3 试验过程

在新桥墩浇筑前对老混凝土进行洒水润湿，使其充分膨胀。根据桥墩结构选定测试点，进行传感器的安装与使用。南沙港项目所用传感器是长沙金码高科技实业有限公司型号为CMJX-215型埋入式混凝土应变计，适用于各种混凝土结构内部的应变测量。

传感器的安装根据测点布置进行，采用细匝丝将应变计捆绑在结构钢筋上，避开混凝土和捣振棒能直接冲击到的钢筋面，绑扎不宜过紧。现场的绑扎情况如图5所示。

图5 传感器绑扎

传感器绑扎完成后开始浇筑混凝土，浇筑前确保埋设好的传感器及测试仪器能正常使用。混凝土浇筑振捣完成后，根据初凝情况进行二次振捣，振捣时应避免直接触碰仪器。

混凝土浇筑振捣完成后根据现场施工情况，测试了混凝土浇筑后18 d龄期的收缩应变。根据现场混凝土浇筑情况，一天测试一次或者两次数据，上午或者下午进行测试。测试完传感器后，做好数据记录，主要包括应变、温度、频率，测试完成后对数据进行整理。

4.4 试验数据处理及分析

(1)根据应变计使用方法对试验数据进行温度修正，经过修正后得到4组测点的收缩应变曲线如图6所示。

从图6可以看出：4组测点收缩应变趋势基本保持一致，4组测点的收缩应变均表现为随着龄期增长逐渐增加；4组测点不同位置处的收缩应变大小关系均满足：n-4>n-3>n-2>n-1，说明既有桥墩对新浇筑混凝土桥墩的收缩具有约束作用。距离新老混凝土接触面处越近，新浇筑混凝土的收缩应变最小；距离新老混凝土接触面越远，混凝土收缩应变越大。

图6 不同测点应变

(2)在老混凝土洒水润湿、新浇筑混凝土二次振捣情况下，将各测点现场实测收缩应变与ANSYS数值模拟结果进行对比，如图7所示。

图7 测点4-i实测值与模拟值对比

从图7各测点实测收缩应变与模拟应变对比可以看出：各测点收缩应变与ANSYS模拟结果大致吻合，误差在可接受范围内；并且数值模拟的收缩应变略大于实测值，这是由于在模拟时二次振捣和润湿工况比较理想，而现场施工时与模拟存在一定差距。

公路规范(JTG 3362-2018)中规定混凝土的收缩应变范围为3×10-4～5×10-4，试验中测得的应变在规定范围内，实际新浇筑的桥墩混凝土并未出现明显的早期开裂，较类似工程有很大改善。

5 结论

(1)既有桥墩对新浇筑桥墩的收缩具有约束作用，距离新老混凝土接触面处越近，约束作用越大。

(2)针对新老桥墩混凝土收缩开裂问题，可以通过对老混凝土提前洒水润湿、新浇筑混凝土二次振捣等综合措施来减少裂缝的产生，进而保证其施工质量。