連續箱梁頂板裂縫成因分析研究

羅陽青，杜召華，蔣 鑫，張 振

(湖南省交通科學研究院，湖南長沙 410015)

混凝土結構裂縫的成因復雜、繁多，有時多種因素互相影響，但每一條裂縫均有其產生的一種或幾種主要因素，其中混凝土水化熱引起的溫度裂縫在施工中占相當大比例。溫度裂縫控制在大體積混凝土施工中逐漸得到的重視，對其裂縫特點、性質、原因、仿真計算及預防處理措施均有較全面討論及建議［1～4］。現行施工規范［5］對大體積混凝土施工也重點強調:要求混凝土內外溫差不宜超過25℃。在工作實踐中發現薄壁箱梁頂板在施工中出現大面積裂縫，為了解裂縫成因，本文選擇較典型箱梁裂縫進行水化熱分析。

1 工程背景

某橋型布置為預應力T梁+連續箱梁(24 m+45 m+37 m)+預應力T梁，全長1 512 m。連續箱梁采用單箱三室變截面(結構尺寸見圖1)，跨中和邊支點處梁高1.8 m，墩頂處梁高2.8 m，腹板厚0.65 m，頂板厚0.28 m，跨中和邊支點處底板厚0.22 m，5號、8號墩頂處底板厚0.42 m，6號、7號墩頂處底板厚0.42 m。主梁按全預應力構件設計，材料:C50;設計荷載:公路—Ⅰ級［6］。

1.1 裂縫特征

5號～8號墩右幅箱梁頂板，共發現324條裂縫，其中橫向315條，占97%;斜向7條，縱向2條，占3%。通長裂縫164條，占50%，部分裂縫貫通頂板(滲水見圖2)。裂縫長度在0.4～3.4 m之間，寬度在0.05～0.30 mm之間。其特征如下:

圖1 箱梁結構尺寸圖(單位:cm)

1)5～6號墩箱梁頂板裂縫左端少，平均間距2.5 m;右端多，平均間距 0.8 m。

2)6～7號墩箱梁頂板裂縫密集發育，基本上為頂板通長裂縫，長度3.4 m，平均間距0.8 m。

3)7～8號墩箱頂板梁裂縫右端少，平均間距2.5 m;左端多，平均間距 0.8 m。

4)頂板裂縫從腹板側開始發育，50%為箱室橫向通長。

5)箱梁腹板及底板未發現明顯裂縫(材料及施工工藝同頂板)。

圖2 箱梁內滲水現狀

1.2 施工情況

1)澆筑。原設計為懸澆，后改為滿堂支架施工，澆筑方向為兩端往中間，即5號墩往6號墩方向，8號墩往7號墩方向。分兩次澆筑:先底腹板，再頂板，間隔18 d。底腹板為2011年4月29日澆筑完畢，頂板為2011年5月17日22時起澆筑，次日8時澆筑完畢，連續作業時間為10 h。

2)養護。5月18日氣溫為20℃ ～30℃，養護時氣溫較高，且未及時覆蓋土工布養生，混凝土終凝時頂板上表面開始出現微裂縫。

3)材料。施工單位提供混凝土強度、坍落度等資料符合規范要求，但未做水化熱絕熱性能試驗及混凝土入模溫度測試。箱梁澆筑時各工地水泥需求量相當大，水泥出窯即通過散裝罐車運往工地，到工地時水泥溫度較高，手觸發燙。

4)滿堂支架。箱梁采用滿堂支架施工，頂板澆筑時，底板及腹板未張拉，滿堂支架未拆除。支架基礎現澆12 cm混凝土，未發現明顯沉降及開裂。

2 水化熱分析

2.1 數據準備

該橋箱梁混凝土澆筑時未進行水化熱實測及混凝土力學參數資料不全，根據使用原材料出廠地一致及混凝土配合比相似情況，仿真分析數據采用相鄰標段箱梁實測數值如表1、表2［7］。

表1 箱梁混凝土力學參數

表2 箱梁溫度測試成果

2.2 模型建立

2.2.1 施工階段劃分

水化熱仿真分析采用MIDAS建模，單箱三室縱向取1 m，橫向取1/2斷面，共1 680個單元，2 520個節點(見圖3)。建立對稱模型有利于減少分析時間和查看模型中心部位的分析結果。

階段一:澆筑底腹板，其內外表面與空氣對流熱傳遞;底板考慮為固結約束。

圖3 單箱三室1/2斷面有限元分析模型

階段二:澆筑頂板，此時箱室封閉，室內空氣溫度逐漸升高，基本與混凝土內部溫度變化一致，因此頂板內表面考慮為絕熱，僅單元內部進行熱傳遞，不對外散熱;頂板外表面與空氣對流熱傳遞。

2.2.2 仿真分析數據取值

1)箱梁混凝土力學參數取表1數值。

2)根據表2測試結果，混凝土入模溫度較環境溫度高2.2℃ ～7.6℃。澆筑時環境溫度為20℃，仿真分析混凝土入模溫度取20℃和30℃兩種情況。

3)根據表2測試結果，混凝土溫升為26℃ ～55.6℃。因測試時箱梁混凝土向環境散熱，最大絕熱溫升要高于55.6℃，仿真分析時最大絕熱溫升取50℃和70℃兩種情況，放熱系數取0.605。

4)露天環境濕度一般為40%，考慮養生情況，環境濕度取40%和99%兩種情況。

5)鋼模及混凝土暴露表面對流系數取12 kcal/(m2·h·℃);混凝土材料比熱取0.25 kcal/(kgf·℃)，熱傳導取2.3 kcal/(m·h·℃)［8］。

2.2.3 計算結果

1)溫度裂縫指數［9］。

韓國混凝土規范中使用溫度裂縫指數(抗拉強度與發生的溫度應力之比)i值預測是否發生裂縫，其裂縫發生概率如圖4。

① 防止裂縫發生時:1.5以上;

② 限制裂縫發生時:1.2～1.5;

③ 限制有害裂縫發生時:0.7～1.2。

圖4 溫度裂縫指數

2)計算結果。

混凝土表面溫差、收縮/徐變應力較內部應力大，根據模型對稱性，取關鍵分析節點如圖5，計算結果如表3。

圖5 關鍵分析節點點位圖

表3 關鍵分析節點溫度裂縫指數

從表3可知:

①混凝土入模溫度在20℃，絕熱溫升在50℃時，箱梁頂板下表面節點974、992、1005溫度裂縫指數為0.7 ～0.8，裂縫發生概率 75% ～85%;頂板上表面節點845、852、853、1002 溫度裂縫指數為1.6 ～1.7，溫度裂縫發生概率5%。

②混凝土入模溫度在20℃，絕熱溫升在70℃時，箱梁頂板下表面節點974、992、1005溫度裂縫指數為0.5 ～0.6，溫度裂縫發生概率90% ～95%;頂板上表面節點845、852、853、1002溫度裂縫指數為1.2～1.4，溫度裂縫發生概率8% ～25%。

③混凝土入模溫度在30℃，絕熱溫升在50℃時，箱梁頂板下表面節點974、992、1005溫度裂縫指數為0.5 ～0.6，溫度裂縫發生概率92% ～95%;頂板上表面節點845、852、853、1002溫度裂縫指數為1.2～1.4，溫度裂縫發生概率8% ～25%。

④混凝土入模溫度在30℃，絕熱溫升在70℃時，箱梁頂板下表面節點974、992、1005溫度裂縫指數為0.4 ～0.5，溫度裂縫發生概率95% ～98%;頂板上表面節點845、852、853、1002溫度裂縫指數為0.9～1.3，溫度裂縫發生概率15% ～60%。

⑤濕度對裂縫影響不顯著，即養護不到位影響主要為表面裂縫。

從以上分析可知，混凝土入模溫度高較入模溫度低發生溫度裂縫概率大。水泥水化熱高較水化熱低發生溫度裂縫概率大。

3)計算結果與現場檢測成果對比。

計算裂縫發生概率大區域為箱室頂板內表面、混凝土入模溫度高和水化熱高時外表面，這與現場裂縫檢測成果高度吻合(見圖6、圖7)，因此該橋箱梁頂板裂縫主要是由于水泥水化熱引起溫度裂縫。仿真分析溫度云圖如圖6，現場檢測6～7號墩箱梁頂板裂縫如圖7。

圖6 仿真分析溫度云圖

圖7 現場檢測6～7號墩箱梁頂板裂縫分布圖

3 裂縫成因分析

混凝土結構裂縫的成因復雜，且多為各種因素耦合。根據現場檢測情況和MIDAS仿真分析，箱梁裂縫成因主要有溫度、約束與收縮以及它們的耦合作用。

1)溫度作用:混凝土內部與外部熱脹冷縮的程度不同，使混凝土表面產生一定的自拉應力，當自拉應力超過混凝土的抗拉強度極限時，混凝土表面就會產生裂縫。

溫度應力引起的原因可分為兩類:

①自生應力:邊界上沒有任何約束或完全靜止的結構，如果內部溫度是非線性分布的，由于結構本身互相約束而出現的溫度應力。例如，橋梁墩身，結構尺寸相對較大，混凝土冷卻時表面溫度低，內部溫度高，在表面出現拉應力，在中間出現壓應力。

②約束應力:結構的全部或部分邊界受到外界的約束，不能自由變形而引起的應力。如箱梁頂板混凝土和護欄混凝土。

這兩種溫度應力往往和混凝土的干縮所引起的應力共同作用。

本橋箱梁澆筑時，室內空氣不流通，水泥水化產生熱量使室內溫度逐漸升高，而室外空氣流通快，混凝土表面溫度較穩定，因此頂板內外表面溫度差逐漸增加，當溫度差超過一定限值時，混凝土溫度自應力超過混凝土抗拉能力導致開裂。

2)約束作用:澆筑箱梁頂板時，Ⅱ型腹板已達到足夠的強度，剛度大，基本上完成了水泥的熱耗散過程。腹板間距較小(3.4 m)，約束作用大，限制了箱梁頂板混凝土散熱收縮過程，混凝土易因收縮應力而拉裂。隨著溫度的變化和裂紋尖端應力的集中，裂縫會迅速向前發展。因此右幅箱梁頂板裂縫特征為頂板與腹板結合處開始發育。

3)收縮作用:混凝土因收縮不均或收縮時受到外界約束導致混凝土裂縫。混凝土內外水分蒸發程度不同而導致變形不同:混凝土受外部條件的影響，表面水分損失較快，變形較大，內部濕度變化較小變形較小，較大的表面干縮變形受到混凝土內部約束，產生較大自應力而產生裂縫。

右幅箱梁澆筑時間從晚上22點至次日8點，澆筑順序為兩端向中間澆筑，養護時氣溫變化從20℃到30℃。因此箱梁頂板兩端混凝土在氣溫升高時已完成終凝，受水份蒸發影響較小，裂縫較少;中間部分混凝土受水份蒸發影響較大，裂縫較密集。

4 結語

薄壁小箱梁頂板澆筑時，室內封閉，空氣不流通，混凝土水化熱不能及時擴散，箱室內溫度逐漸升高而引起內外溫差過大。小箱梁澆筑不屬于大體積混凝土施工，施工方案制定時易忽略其水化熱影響，從而導致混凝土水化熱產生的溫度影響占主導因素，其它因素相互耦合而開裂。因此薄壁小箱梁澆筑時建議如下:①加強箱室內通風;②降低混凝土入模溫度;③水泥過熟化期后再使用以降低水泥水化熱。

［1］黃志福，葉雨霞.大體積承臺混凝土水化熱及溫控措施［J］.工程與建設，2008，22(1):14 －16.

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［5］JTJ 041－2000，公路橋涵施工技術規范［S］.

［6］胡柏學，羅陽青.某特大橋5～8號墩右幅箱梁頂板裂縫診斷分析報告［Z］.湖南省交通科學研究院，2011.

［7］方 志，鄧屹松，汪建群.某特大橋主橋箱梁右幅58、59號墩2～3塊現場檢測及受力分析報告［Z］.湖南大學，2011.

［8］北京邁達斯技術有限公司.MIDAS使用說明［Z］.

［9］midas fea_水化熱參數化分析［EB/OL］.http://wenku.baidu.com.