连续刚构箱梁悬臂浇筑节段混凝土裂缝成因及控制研究

戴利平

(宇航交通建设集团有限公司 杭州市 311100)

由于工作面局限,在进行连续刚构箱梁悬臂浇筑施工时,难以对底板及外腹板进行充分养护,且受高性能混凝土材料自身特性影响,箱梁易在早期施工阶段就出现较多裂缝。根据相关研究对连续刚构混凝土箱梁桥裂缝的统计分析,裂缝组成的80%来源于非荷载引起的裂缝,其中混凝土收缩导致的裂缝又占主要部分[1]。因此在设计及施工过程中,研究混凝土裂缝机理及防治措施,对于减少连续刚构混凝土箱梁裂缝具有重要意义。

1 工程概况

研究依托某跨河特大桥项目,大桥全长712m,其跨径组成为预应力简支T梁2×30m+预应力连续钢构(116m+220m+116m)+预应力简支转连续刚构T梁5×40m。桥梁的立面布置图如图1所示。大桥为单箱单室,箱底宽6.5m,箱顶宽12 m,箱梁跨中梁高4.2m。主梁采用挂篮施工工艺,对称浇筑,施工段划分为25个梁段,悬臂浇筑长度为3m、4m、5m 三种节段。桥梁采用C55混凝土进行浇筑,配合比为水泥∶粉煤灰∶矿粉∶细集料∶粗集料∶水=385∶50∶70∶790∶1005∶150。

图1 桥梁立面布置图(单位:m)

2 模型的建立

2.1 基本假设

模型的建立采用以下假设:(1)混凝土内各向同性;(2)浇筑时各部位混凝土初始温度相同;(3)混凝土表面放热系数在同种养护条件下保持一致;(4)混凝土温度场不受钢筋等构件的影响[2]。

2.2 网格划分

选取该特大桥第24号、第25号施工节段为对象,建立有限元模型,图2(a)所示为第24号、第25号施工节段横断面尺寸图。节段24、节段25均采用3D实体单元,最大尺寸10cm。模拟的浇筑过程分为两个阶段:第一阶段浇筑第25号段混凝土,如图2(b)所示。为模拟悬臂浇筑状态,将箱梁X-Z平面后端固定位移边界;在模拟的第二阶段浇筑第24号节段混凝土,如图2(c)所示。通过对条件和参数的调整,模拟不同养护方式、不同风速、不同温度下的收缩应力。

图2 箱梁混凝土有限元分析模型

2.3 主要参数选取

(1)混凝土材料参数值

表1所示为混凝土材料的参数。

表1 材料参数情况

(2)混凝土弹性模量值

采用文献中所推荐的C55混凝土弹性模量公式[3],计算各龄期下的混凝土弹性模量,通过试验得到的标养下材料弹性模量为4.36×104MPa,C55混凝土随龄期的弹性模量公式为E(τ)=0.99×1.03×43600×(1-e-0.4τ0.6),其中τ为龄期,E(τ)为龄期时的混凝土弹性模量。表2所示为各龄期时的混凝土弹性模量取值。

表2 混凝土弹性模量随龄期的变化情况

(3)混凝土表面放热系数

3 不同因素下混凝土温度及应力的模拟计算

3.1 不同养护方式的影响

(1)自然养护方法

模拟采用湿麻袋覆盖、间隔3h洒水的自然养护方式,此方式在公路桥梁养护中最为常见。模拟洒水养护针对箱梁顶板及内部进行,底板及外侧板不进行养护作为对照,对箱梁表面各部位的放热系数取值情况如表3所示。混凝土箱梁各部位在各龄期下的温度及收缩应力情况如图3所示。分析图3可以发现,箱梁浇筑龄期的增长对其表面温度及收缩应力有显著影响,尤其是在不同片箱梁的交接处,在养护48h时应力达到最大值4.78MPa,最大拉应力位于箱梁腹板下部倒角处,而混凝土内部温度及收缩应力的变化则不明显。

表3 自然养护下箱梁表面等效放热系数 单位:kJ/(m·h·℃)

图3 自然养护箱梁各龄期主拉应力云图

(2)复合养护方法

项目复合养护方法采用“底板底模内附模贴+自动喷雾+局部人工洒水”的方法,实现梁段的全面养护。在浇筑初期,通过在箱梁底模上粘贴模贴,使底板混凝土在浇筑初期即开始保持持续的湿养护。对于底板模板、顶板顶面外的裸露部分,采取二次抹面、洒水覆盖薄膜养护等方式,及时进行人工洒水养护。箱梁表面各部位的等效放热系数取值根据上文公式计算,结果如表4所示。箱梁温度及收缩应力情况如图4所示。

表4 复合养护下箱梁表面等效放热系数 单位:kJ/(m·h·℃)

图4 复合养护箱梁各龄期主拉应力云图

模拟计算表明,在复合养护条件下,混凝土应力与浇筑龄期的关系与自然养护下的趋势图大体一致。在48h达到最大拉应力值4.37MPa,最大拉应力位于箱梁底板处,但是最大主拉应力相比自然养护下减少了8.5%。对两种养护方式下混凝土箱梁水化热温度及最大应力与龄期变化的规律进行分析,可以发现,混凝土箱梁节段的水化热温度、收缩应力均在36～60h内达到最大值。采用复合养护方式时,顶板与底板局部应力明显减小,最大主拉应力相比自然养护下降较为明显。相邻混凝土节段在交界处应力水平较大,原因在于混凝土节段的先后浇筑导致其龄期存在差异,进而水化温度与收缩速率不同,在前后浇筑的衔接面先产生裂缝[3]。同时分析发现,采用底板模贴养护方法,能够有效降低混凝土局部应力,混凝土箱梁的整体应力下降较明显,此种养护方式有利于减少箱梁的收缩裂缝。

3.2 不同环境温度的影响

根据项目所在地全年日均气温情况,模拟温度选择五个梯度: 5℃、10℃、20℃、30℃和40℃。等效放热系数值采用复合养护方法下的系数值,如表4所示。入模温度统一设定为30℃,模拟计算不同环境温度下,混凝土箱梁主拉应力的变化情况,如图5所示。此处只展示各个温度下混凝土出现最大拉应力时的应力云图。

图5 不同环境温度下箱梁最大主拉应力云图

分析模拟计算结果,当环境温度分别为5℃、10℃、20℃、30℃、40℃时,混凝土箱梁在48h龄期时达到的最大主拉应力分别为5.79MPa、5.34MPa、4.59MPa、4.37MPa、4.37MPa,且最大拉应力均位于箱梁底板处。当环境温度为5℃时,混凝土箱梁水化温度及收缩应力均较大,在48h龄期下的应力超过混凝土极限抗拉强度的20%。当龄期均为48h时,20～30℃环境温度下的混凝土箱梁主拉应力较小,相比5℃时降低24.2%,相比40℃浇筑时降低19.5%。表明在相同养护龄期下,混凝土箱梁主拉应力与环境温度的关系,表现为先减小后增大的趋势。原因在于当温度从5℃升高至30℃时,混凝土内部与外部的温差逐渐降低,主拉应力随之减小;当温度从30℃继续升高时,内外部温差再次增加,主应力随之增大。因此在梁段浇筑时,应注意保温保湿养护,避免混凝土内外部温差过大。

3.3 不同风速的影响

根据项目所在地气象统计资料,该地日平均风速范围为0～5m/s,试验模拟箱梁节段在自然养护条件、30℃环境温度、三种不同风速(0、3m/s、5m/s)下,箱梁温度及收缩应力的变化。各风速下的等效放热系数取值如表5所示。不同风速下箱梁最大主拉应力情况如图6所示。

表5 各风速下的等效放热系数取值情况 单位:kJ/(m·h·℃)

图6 不同风速下箱梁最大主拉应力云图

由图6可知,在风速为0时,混凝土内外温差较小,箱梁水化温度及收缩应力随着龄期变化的趋势较为缓慢,但仍呈现出先增大后减小的趋势,箱梁在72h时达到最大主拉应力3.86MPa。当风速为3m/s时,梁段在各养护龄期下的主应力相比0风速时有所增加,原因在于风速增大导致内外部存在较大温度梯度,应力增加,48h时最大应力出现在腹板下部倒角处,值为4.78MPa,当风速为5m/s时,温度梯度与应力相比风速为3m/s时增加更为明显,且变化速度较快,原因在于混凝土表面温度下降加快,内外部温差迅速增大,主拉应力增长明显。48h时箱梁最大应力出现在箱梁底板处,值为4.99MPa,相比0风速增大了29.3%。因此随着风速的增加,混凝土箱梁内外部温差增大,主拉应力也随之增大,在混凝土浇筑与养护时,应当采取防风措施。

3.4 连续刚构混凝土箱梁早期裂缝控制措施

大桥采用“底板底模模贴+自动喷雾+人工养护”的复合养护方法,有效保证了混凝土箱梁各部位的及时充分养护,模拟结果与实践结果均表明,复合养护方法能较为显著地降低箱梁局部应力,减少混凝土整体应力及前期裂缝。同时,环境温度和风速对于混凝土表面散热情况、内外部温差有重要影响,直接影响混凝土内部应力的发展趋势。因此可以采取降低前后箱梁节段浇筑的时间间隔、薄膜覆盖减少混凝土内外部温度差、增加防风措施等方式,减少混凝土在浇筑及前期养护环节出现的裂缝。

4 结论

在两种养护方式(自然养护、复合养护)下,混凝土表面温度、收缩应力最大值均出现在36～60h范围内。在环境温度和风速一致时,采用复合养护方式的混凝土箱梁主拉应力明显减小;在养护方式与风速一致时,外界环境温度与混凝土浇筑温度的温差小,混凝土温度梯度小、主拉应力小,混凝土的开裂较少;当养护方式与温度相同时,风速增加,箱梁内外部温度梯度增大,箱梁主拉应力增大明显,混凝土开裂面积明显增加。因此对于连续刚构箱梁混凝土浇筑及养护,建议采用复合式养护方式,同时采取降低前后节段浇筑的时间间隔、薄膜覆盖减少混凝土内外部温度差、增加防风围挡等措施,有效减少混凝土裂缝。