大跨度連續剛構橋0號塊開裂計算分析及預防措施

■陳 峻

（江蘇中設集團股份有限公司，無錫 214072）

大跨度連續剛構橋0號塊開裂計算分析及預防措施

■陳 峻

（江蘇中設集團股份有限公司，無錫 214072）

本文以湖南湘西州龍永高速第十一標段紅巖溪特大橋為依托工程，參考之前同類橋梁的施工與設計分析，針對剛構橋0號塊施工過程，通過對結構進行應力和裂縫可能產生位置的分析，并根據主要影響因素提出相應的預防措施，減少或預防0號塊在澆筑過程中可能產生的溫度裂縫。

連續剛構橋 0號塊 溫度裂縫 設防錯誤

1 工程概況

龍永高速公路紅巖溪特大橋位于湖南省湘西自治州，上部結構跨徑布置為116m+220m+116m的預應力混凝土連續剛構橋，橫斷面為單箱單室箱形截面。箱梁梁高、底板厚度均按1.8次拋物線變化。箱梁根部梁高（箱梁中心線）1340cm，跨中梁高（箱梁中心線）400cm。箱梁頂板全寬為1200cm，厚度為30cm，剛構根部頂板加厚至60cm，設有2%的單向橫坡。箱梁底板寬度為650cm，厚度為 120cm～32cm。腹板厚度分別為 105cm、95cm、80cm、65cm及50cm。箱梁在墩頂處設2個100cm厚的橫隔板，在邊墩墩頂梁端處設200cm厚的橫隔板，在四分點位置和主跨跨中位置設置40cm厚的橫隔板。梁體混凝土設計強度為C55。本文采用ANSYS有限元分析軟件，以紅巖溪特大橋6號墩墩頂0號塊為工程依托，模擬施工過程分析計算在外界條件作用下結構受力性能。大橋立面圖和6號墩墩頂0號塊縱向和橫向斷面圖分別見圖1和圖2。

2 0號塊結構有限元模型分析

0號塊分析采用ANSYS有限元模型，結構縱向長12.0m，橫向橋寬12.0m，全高13.4m，底板位置厚度為1.2m。由于0號塊主要受水化熱及收縮徐變的影響，因此以SOLID65單元模擬實體結構。為模擬實際情況，建模時在結構底面添加了0.5m高墩身結構，并在墩底固結，以避免在0號塊底面產生應力集中現象。0號塊單元劃分尺寸為0.15m，附加墩身劃分尺寸為0.30mm。由于結構對稱，建模時可先由1/4鏡像生成。

分析中模擬了大體積混凝土分層澆筑的施工過程，共分三次澆筑，每次時間間隔為3d。采用瞬態熱分析計算0號塊結構在水化熱作用下的溫度場，然后將求得的溫度場效應施加至結構中，計算0號塊在水化熱作用下的溫度應力。

圖1 紅巖溪特大橋連續剛構立面圖（單位：cm）

圖2 6號墩墩頂0號塊縱向和橫向斷面圖（單位：cm）

3 0號塊結構施工過程受力分析及主要控制措施

由結構有限元熱分析可知，0號塊結構澆筑完成后因水化熱等作用，容易產生溫度裂縫，針對計算結果以及建成的各類型剛構橋的裂縫病害，提出能在一定程度上改善0號塊前期裂縫的不利影響。大體積混凝土澆筑通常會采用分層澆筑的方式，以降低結構內外溫差，故可通過探討分層澆筑時的各層澆筑量（或者是澆筑層高）、澆筑前后兩層間隔的齡期長短等對于減小水化熱影響的作用。

3.1 分層澆筑的層高選取

在常規施工過程中，0號塊分三層澆筑，第一層由墩頂位置到底板與腹板交接處，混凝土澆筑量為188.6m3，第二層往上至距離頂面3.7m位置，混凝土澆筑量為301.3m3，第三層一直到頂面，混凝土澆筑量為211.2m3。由此可見，第一層與第二層澆筑的混凝土量相差較大，為減小兩者的差異，可以考慮適當上調第一層與第二層之間的施工縫位置，在建議中將其設置在橫隔板過人洞上端。圖3為施工縫留在橫隔板過人洞頂端位置是的水化熱產生的主拉應力云圖。圖中橫向的兩條細線即為建議上調第一、二層之間的施工縫位置后的三層之間的分隔位置。

圖3 水化熱產生的主拉應力云圖

通過平衡第一層與第二層的混凝土澆筑量，減小第二次澆筑量來降低混凝土水化熱產生的結構內外溫差，以達到減小混凝土受到的主拉應力。上調第一、二層之間的施工縫后，第一層的混凝土澆筑量調整為239.4m3，第二層的混凝土澆筑量調整為250.5m3。前述已經分析了1/4結構在原方案中的水化熱產生的主拉應力云圖，現采用同樣的ANSYS分析方法，計算結構在建議方案中的水化熱。為直觀清晰的體現結構內部整體主拉應力分布，此次取1/2結構計算。圖4為施工縫留在底板與腹板交接位置時的水化熱產生的主拉應力云圖。圖中橫向的兩條細線即為分層澆筑時三層之間的分隔位置。

圖4 原方案水化熱產生的主拉應力云圖

由圖4可知，原方案中的腹板外側的主拉應力主要分布在2.48～4.52MPa之間，而當第一層與第二層之間的施工縫設置在過人洞頂端時，腹板外側的主拉應力主要分布在1.00～3.30MPa之間。現在腹板高度中間位置，沿橋縱向內側取4個應力參考點，分別提取在兩種澆筑方案情況下，各點的主拉應力值。

圖5為兩種澆筑方案水化熱效應的腹板應力圖示。

圖5 兩種澆筑方案水化熱效應的腹板應力

建議方案是在原方案的基礎上，上調了第一層與第二層之間的施工縫，從底板與腹板交接處改為橫隔板過人洞頂端，適當平衡了前兩次的混凝土澆筑量。由圖5改進之后水化熱對腹板主拉應力的影響可知，在腹板中部選取的四個應力點的主拉應力產生了不同程度的下降，幅度在7.3%～18.2%之間，這對于大體積混凝土來說，在預防澆筑過程中水化熱對結構開裂的影響有一定的作用。

3.2 線膨脹系數的影響

混凝土因自身材料特性或者外界溫度影響時，會產生膨脹或收縮。線膨脹系數（lt）也稱為線彈性系數，是指單位長度材料每升高1℃時的伸長量。實際工程施工過程中，不可避免會摻加一定的外加劑，比如早強劑等，當外加劑摻入量增大時，混凝土的線膨脹系數也會隨之增大。為探究線膨脹系數大小對混凝土的主拉應力的影響，現取三種線膨脹系數值0.9×10-5，1.1×10-5，1.3×10-5，分別計算結構水化熱效應，取腹板高度中間位置，沿橋縱向外側六等分點作為應力參考點來比較。

圖6為線膨脹系數取1.1×10-5時的主拉應力云圖。對比前述線膨脹系數為0.9×10-5時的主拉應力云圖 （圖3），0號塊的主要的主拉應力分布情況基本一致，最大主拉應力值有一定的增大。

圖7為線膨脹系數取1.3×10-5時的主拉應力云圖。對比線膨脹系數為1.1×10-5時的主拉應力云圖，0號塊的主要的主拉應力分布情況也基本一致，最大主拉應力值也有一定的增大。

圖8為不同線膨脹系數下0號塊主拉應力對比圖。

由圖8可知，當線膨脹系數從0.9×10-5增大到1.1× 10-5時，腹板應力點的主拉應力值增幅在20.1%～21.5%之間，當線膨脹系數從1.1×10-5增大到1.3×10-5時，腹板應力點的主拉應力值增幅在17.9%～18.1%之間。由此可知，當混凝土材料內的外加劑會影響結構澆筑完成后主拉應力值。因此，在實際施工過程中應根據需要嚴格控制外加劑的摻入量，防止含量過多對結構產生影響。

圖6 水化熱產生的主拉應力云圖（lt=1.1×10-5）

圖7 水化熱產生的主拉應力云圖（lt=1.3×10-5）

圖8 不同線膨脹系數（lt）下主拉應力對比圖

3.3 澆筑溫度的影響

根據 《混凝土結構工程施工規范》（GB50666-2011）規定，混凝土拌合物的入模溫度不應低于5℃，且不應高于35℃。當日平均氣溫高于35℃時，需采取降溫措施，使混凝土入模溫度不能高于35℃；當日平均氣溫低于5℃時，需采取保溫措施，使混凝土入模溫度不能低于5℃。為探討混凝土澆筑溫度對于結構主拉應力的影響，現分別在澆筑溫度為30℃、20℃、10℃時0號塊的主拉應力云圖，此時三種情況下的每層澆筑層高、材料線膨脹系數均為同等條件。圖9和圖10為澆筑溫度為20℃和10℃時的主拉應力云圖。

鑒于前述應力分析均在澆筑溫度為30℃時進行 （圖3），腹板外側的主拉應力主要分布在1.00～3.30MPa之間，因此只需計算余下兩種情況。

圖9為澆筑溫度為20℃時的0號塊主拉應力云圖，腹板外側的主拉應力主要分布在0.91～2.82MPa之間。與圖3相比可知，主拉應力分布趨勢基本相似，應力值略有不同。

圖10為澆筑溫度為10℃時的0號塊主拉應力云圖，腹板外側的主拉應力主要分布在1.33～3.13MPa之間。與前兩種情況相比可知，主拉應力分布趨勢也基本相似，應力值也略有不同。

圖9 澆筑溫度為20℃時的主拉應力云圖

圖10 澆筑溫度為10℃時的主拉應力云圖

現在0號塊中心高度位置腹板外側，沿z軸方向取五等分點作為應力點，在三種澆筑溫度下的主拉應力值，如圖11所示。

圖11 不同澆筑溫度（t0）時腹板應力點主拉應力

由圖11可知，隨著混凝土澆筑溫度的降低，0號塊腹板應力也隨之減小。當澆筑溫度由30℃降為20℃時，主拉應力值下降幅度在1.7%～2.5%之間，當澆筑溫度由30℃降為10℃時，主拉應力值下降幅度在4.7%～16.7%之間。由此可見，在規范規定的澆筑溫度范圍內，降低混凝土澆筑溫度，對減小結構受到的主拉應力起到一定的作用。

4 預防溫度裂縫的其他措施

除上述適當調整分層澆筑的混凝土用量，控制混凝土外加劑的摻量以及降低混凝土的入模溫度等措施，在施工過程中也可采用其他的方法來預防0號塊開裂。

（1）結構在腹板、頂板、底板以及橫隔板交接位置的各倒角處承受主拉應力較大，是容易產生應力集中的地方，在這些位置可設置構造鋼筋以加強抗裂強度。

（2）本次澆筑的混凝土采用C55高標號水泥，較普通C30、C40等水泥水化熱釋放的熱量會高出很多。因此，在澆筑大體積混凝土結構時，建議采用低水化熱、收縮量小的水泥材料。

（3）由于0號塊體積較大，在施工過程中分層澆筑，為了保證兩層之間的施工縫的質量，應保證澆筑面的鑿毛達到要求，并清理整修完好。澆筑下一層混凝土時需振搗充實。

（4）每層混凝土澆筑完成后，需覆膜保養，保持混凝土表面濕度，注意0號塊內部的散熱。按時觀測，及時發現是否產生新生裂縫。

5 小結

對于0號塊在澆筑前期易受水化熱、收縮等因素產生裂縫，提出在三個方面作改進措施。首先，適當提高了分層澆筑的層高設置，由腹板應力測試點結果可知，主拉應力減小的效果良好，減小幅度在7.3%～18.2%之間；然后，控制外加劑的摻量以保證混凝土線膨脹系數值較小，結果表明，當線膨脹系數從0.9×10-5增大到1.1×10-5時，腹板應力點的主拉應力值增幅在20.1%～21.5%之間，從1.1×10-5增大到1.3×10-5時，增幅在17.9%～18.1%之間；最后，當在規定范圍內將混凝土澆筑溫度由30℃降為20℃時，主拉應力值下降幅度在1.7%～2.5%之間，當由30℃降為10℃時，下降幅度在4.7%～16.7%之間。

在大體積混凝土施工中，為防止產生溫度、收縮裂縫，應在分層澆筑時適當均衡每次的混凝土澆筑量，嚴格控制外加劑的摻量以減小混凝土線膨脹系數的影響，在條件允許的情況下控制混凝土的入模溫度，降低水化熱的生熱量。

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