橋臺裂縫的溫度場效應研究

宋 軍，周建庭，王 楊

（重慶交通大學 土木建筑學，重慶 400074）

橋臺裂縫的溫度場效應研究

宋 軍，周建庭，王 楊

（重慶交通大學 土木建筑學，重慶 400074）

以重慶盤溪路大石壩立交工程為例，從溫度場理論出發，研究了冬季降溫產生的溫度應力對如橋臺結構的大體積混凝土應力變化的影響;應用有限元軟件對橋臺背面進行切縫處理，研究切縫后的橋臺應力場分布情況。研究結果表明:橋臺的外側受溫度影響比內側受溫度影響更為敏感，在降溫時候外側更容易開裂，在橋臺背面適當位置增加豎向切縫后，橋臺的溫度應力集中現象將獲得釋放。

約束;大體積混凝土;溫度應力;應力變化

1 工程概況

盤溪路為重慶市大石壩組團B、E、G標準分區中的南北向的城市主干道，起于紅石路上大石壩立交，終于江北區區界，全長4 733 m。上部結構采用跨徑30 m+30 m預應力混凝土連續箱梁，全橋分兩幅箱梁，每幅之間設置50 cm的現澆濕接縫。左右兩幅箱梁沿橋梁中心線對稱布置，單幅箱梁采用直腹式單箱四室斷面，箱梁頂板寬16.70 m，梁高1.80 m，頂底板厚度0.25 m，中腹板厚度為0.50 m。

根據地質資料，本橋橋臺設計為擴大基礎+重力式橋臺形式，其中擴大基礎分兩層，每層厚1.00 m，基礎嵌入中風化深度不小于0.80 m，嵌入深度應從安全襟邊不小于5 m起算，基底容許承載力不小于1 MPa。橋臺采用片石混凝土U型橋臺。0#橋臺見圖1。

圖10 #橋臺（1∶300）Fig.1 0#abutment

2 有限元法計算溫度場理論

當結構的各個部位有同樣的升溫或者降溫的時候，其具有均勻的膨脹或收縮，假設沒有外界約束，則結構的狀態為自由變形，同時也不會產生內部應力［1-3］:只有當結構受冷熱影響同時又受外界位移約束，或者內部受冷熱不均勻的時候，其變形受到了限制才會產生溫度應力。用位移法［4-8］分析結構的溫度應力，計算熱變形是按溫度場的改變來推導的，進而才可以計算應力。結構中每一點的總應變{ε}是熱應變{ε}T與彈性應變{ε}E的和，即{ε}={ε}E+{ε}T，見式（1）、式（2）:

式中:α為材料熱膨脹系數;{δ}e為單元的節點位移。此時可用前一步計算溫度場時所劃分的單元網格，對單元內任一點的溫升ΔT和位移{u}進行插值:

式中:［N］T，［N］分別為對溫度和位移的形函數。

則溫升產生的應力如式（3），式中:［B］代表應變矩陣;［D］為平面問題彈性系數矩陣。

有限元單元的彈性勢能如式（4）:

話題轉向紫云，她的心弦驟然繃緊。水老師拿起那只白瓷兔，把林志喊進來，拍著他的腦袋，問道：“你真的喜歡紫云嗎？”

按式（5）求出節點位移{δ}后，可根據式（1）求出某單元內的任意點的應變，再由式（3）求出對應點的溫度應力。

3 橋臺病害情況

現場調查發現，上跨盤溪路橋橋臺和在施工過程中均出現大量裂縫，包括0#、2#橋臺外側、內側以及橋臺的頂部，均出現了不少的裂縫。現場橋臺的局部裂縫見圖2，橋臺整體裂縫分布見圖3。初步判定其裂縫產生的原因是由于冬天的氣溫急劇降低導致混凝土內部拉應力過大引起的。

圖2 橋梁裂縫分布實測結果Fig.2 Distribution of the measured results of bridge cracks

經統計，0#橋臺共有27條裂縫，2#橋臺共有24條裂縫，橋臺裂縫匯總見表1。裂縫基本上均為豎向裂縫，僅2#橋臺有1條斜裂縫。裂縫寬度在0.2 ～2.0 mm 范圍之間。

表1 橋臺裂縫統計Table 1 Statistical table of abutment crack

圖3 0#橋臺外側、內側裂縫描述（1∶300）Fig.3 Lateral＆ medial fracture description of 0#abutment

4 橋臺溫度荷載計算

采用實體有限元軟件對橋臺進行溫度計算，由于實際工程施工期為冬季，考慮降溫10℃對橋臺的影響，同時兼顧橋臺的對稱性，采用建模方法如下:

2）采用C3D8R實體單元對橋臺進行建模;

3）環境溫度整體降溫10℃;

4）橋臺底部固結。

橋臺模型及網格劃分見圖4。

圖4 橋臺半幅有限元模型及網格劃分Fig.4 Abutment half frame finite element model and the mesh

由JTG D 62—2004《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》［9］可知，C25混凝土的抗拉強度標準值及抗拉強度設計值分別為 1.78，1.23 MPa。橋臺混凝土出現裂縫的主要原因是抗拉強度不足。從有限元計算結果中提取橋臺有代表性的單元查看其主拉應力的大小，如圖5。

圖5 橋臺內側及橋臺外側應力分布Fig.5 Medial and lateral abutment stress distribution

表2 橋臺切縫前后應力對比Table 2 Stress contrast before and after abutment joint cutting

從切縫前后的關鍵單元計算結果（表2）來看，在切縫后橋臺內側、外側的主拉應力均有一定幅度的減小，也就是說切縫對于這樣的大體積混凝土有利于其應力的釋放，有利于溫度能量的耗散。

有限元計算結果看在環境降溫10℃后，引起混凝土的主拉應力由橋臺側墻向中間逐漸增加（除去橋臺底部固結約束導致的單元應力失真），主拉應力最大值發生在橋臺的中部位置，大小為2.07～2.29 MPa，已超過了混凝土規范允許設計值，易導致橋臺裂縫的出現。

對橋臺整體的有限元計算得到以下結論:

1）在外界溫度降溫10℃的情況下，橋臺外側中部發生了較大的拉應力，最大為2.29MPa。

2）橋臺在溫度影響下，主拉應力的變化趨勢是由中部向外部逐漸減小。

3）橋臺的外側受溫度影響比內側受溫度影響更為敏感，在降溫時候外側更容易開裂。

4）橋臺側墻外側混凝土溫度影響比側墻內側較敏感，側墻外側中部拉應力較大，容易開裂。

5 切縫處理

考慮到橋臺為大體積混凝土，當溫度升高或者降低時，混凝土將發生變形，若變形遭到約束，則在結構內將產生應力，當應力超過混凝土抗拉強度時即產生溫度裂縫，為減少橋臺自身相互作用使裂縫開展，可考慮進行切縫處理。

考慮橋臺外側有1條豎向貫通切縫，切縫寬度1 cm，深度50 cm，考慮結構降溫10℃，有限元模型及計算結果如圖6。

圖6 橋臺外側切縫整體有限元及內外側應力分布Fig.6 The whole finite element and the medial and lateral stress distribution of abutment joint

6 結論

1）當橋臺中間有豎向貫通切縫的條件下，且外界溫度降溫10℃，橋臺外側的應力變化顯示減小，最大應力為2.05 MPa，比沒有切縫前減少了0.24 MPa。

2）在有切縫的橋臺降溫影響下，主拉應力的變化趨勢是由外部向中間逐漸增大，越靠近裂縫位置主拉應力越大。

3）在有切縫情況下，總體來說橋臺的外側受溫度影響比內側受溫度影響更為敏感，在降溫時候外側更容易開裂。

4）對于大體積混凝土橋臺增加適當的豎向切縫，有助于溫度應力的分散。

5）建議自橋臺中縫起每隔2 m向兩側進行切縫處理。切縫深度50 cm，寬度≤1 cm，用瀝青砂灌注切縫，豎向長度從帽梁至基礎。

6）建議對橋臺采用四氟型氟碳涂料進行隔熱防腐。此涂料隔熱效果好，耐候性強，耐玷污性良好，施工簡單，根據施工現場條件采用噴涂、滾涂、刷涂皆可。

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JTG D 60—2004 General Code for Design of Highway［S］.Beijing:China Communications Press，2004:10-11.

Temperature Effect of Abutment Crack

Song Jun，Zhou Jianting，Wang Yang
（School of Civil Engineering＆ Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

Taking Chongqing Panxi Road Interchange Project as an example，the effect of temperature stress caused by cooling in winter on the stress change of mass concrete structures of bridge abutment is studied.Abutment back treatment is slit by finite element software and then the stress field distribution of bridge abutment stress is studied.Research results show that the effect of temperature on lateral abutment is more sensitive than the medial one.In the cooling time，the lateral is easier to crack;the increase of vertical slit at abutment back position is in favor of releasing the abutment temperature stress.

constraint;mass concrete;temperature stress;stress changes

U443.35

A

1674-0696（2013）02-0190-04

10.3969/j.issn.1674-0696.2013.02.04

2012-12-19;

2013-01-05

國家自然科學基金項目（51278512/E080505）;重慶市重大科技攻關基金項目（CSTC2009AB6149）;重慶市杰出青年基金項目（CSTC2008BA6038）

宋 軍（1982—），男，山東威海人，博士研究生，主要從事橋梁設計理論與工程控制的研究。E-mail:984565891@qq.com。