PC箱梁橋不均勻收縮控制技術研究

黃海東， 侯 旭

(1. 重慶交通大學 土木建筑學院，重慶400074; 2. 西安瑞通路橋科技有限責任公司，陜西 西安 710075)

0 引 言

在混凝土收縮控制技術方面,國內外學者做了大量研究工作,目前常用的方法是筆者通過摻加膨脹劑或減縮劑改善混凝土的收縮特性。張戎令等[14]通過復配外加劑體系中膨脹劑、減水劑、引氣劑的不同摻量對收縮性能影響的對比試驗，分析了不同摻量對收縮性能的影響。錢覺時等[15]為解決外加劑摻量大和影響混凝土強度發展等問題，提出了通過減縮劑外涂方式改善混凝土收縮抗裂性能的方法。Y.LEE等[16]通過在混凝土試件表面設置封閉涂層，抑制混凝土干燥收縮，進而研究混凝土自收縮及徐變特性，取得較好效果。V.SARASWATHY等[17]采用混凝土外置封閉材料，提高混凝土的抗滲性及抗老化性能。

綜上所述，由于箱梁截面不均勻收縮對結構長期行為影響顯著，亟待尋求可靠的解決途徑。雖然目前在混凝土干燥收縮控制方面已取得大量成果，但由于大跨度PC箱梁結構體系復雜、長期結構行為影響因素眾多，特別是針對大量已建成的混凝土箱梁橋，一般控制方法難以取得較好的效果。筆者從混凝土結構非均勻收縮機理出發，以模型試驗為基礎，提出一種基于混凝土箱型結構非均勻收縮行為特征的PC箱梁橋變形控制新方法。

1 箱梁非均勻收縮及控制機理

混凝土結構在干燥收縮過程中，內部水分向外界擴散，造成結構體積收縮變形。而結構的截面形式決定了結構的收縮變形形式。如一般矩形截面的結構，其截面各部位干燥收縮速率相同，僅發生軸向收縮變形。而對于箱形截面，由于頂底板厚度存在差異，箱梁各部位收縮速率不同，因此結構在產生軸向收縮變形的同時，還會發生撓曲變形(見圖1)。當然，此種撓曲收縮變形的量值受到截面形式及結構尺寸等因素的影響。對于一般小跨徑的橋梁結構，由于收縮撓曲變形量值很小，可以忽略；對于大型PC箱梁橋，其截面形式屬于空間薄壁結構，收縮撓曲變形效應顯著。在混凝土早齡期階段(節段懸臂施工期間)，由于箱梁頂板平均厚度遠小于底板厚度，頂板干燥收縮速度快于底板，進而導致箱梁產生上翹收縮變形。而在成橋后1～2年內，箱梁頂板干縮速度逐漸放緩，并低于箱梁底板收縮速度，進而導致箱梁產生下撓收縮變形，詳見圖1。大量研究[3-5][7]已經證實，這種不均勻收縮現象是引起大跨度PC箱梁橋長期過度下撓的重要因素。

圖1 箱梁頂底板及截面收縮變形曲率Fig. 1 Shrinkage deformation curvature of bottom plate andcross-section of box girder

考慮到混凝土結構的長期干燥收縮是由于結構表面暴露于空氣中，內部水分通過與大氣相接觸的表面向外擴散，引起試件內部孔隙濕度降低，進而產生收縮變形。通過在混凝土結構表面設置封閉涂層，阻隔混凝土內部水分擴散，進而抑制混凝土的干燥收縮變形。而調整涂層部位，可以改變結構的收縮變形形式。圖2比較了矩形混凝土試件在不同封閉條件下的收縮變形行為。由于試件僅有上表面暴露于空氣中，其它表面涂刷封閉涂層，混凝土干燥過程中與大氣接觸表面發生干燥收縮，而封閉表面由于環氧涂層的阻隔作用，水分擴散速率明顯降低，導致試件在發生軸向收縮的同時，產生了撓曲變形。

將上述混凝土干縮變形控制方法應用到大跨度PC箱梁橋中，即通過在上部結構主梁特定區域內的混凝土表面涂刷封閉層的方式，調整結構整體的收縮變形形式，進而改善PC箱梁橋長期超限下撓問題。

圖2 混凝土表面涂層對結構變形影響Fig. 2 Effect of concrete surface coating on structural deformation

2 封閉涂層作用下的不均勻收縮模型試驗

為了驗證表面封閉涂層方法對混凝土結構體積收縮及不均勻收縮控制作用的可靠性，開展了模型試驗，主要考慮的因素包括：①混凝土水灰比；②混凝土試件形狀；③混凝土試件封閉涂層厚度。

2.1 試驗模型制作及分組

為研究箱型截面非均勻收縮效應及封閉涂層的作用效果，同時考慮到結構尺寸及構件實際制作等因素，將試件設計為工字型截面試件及矩形截面試件。工字型截面試件上緣及腹板厚度為5 cm，下緣厚度為10 cm，寬度為25 cm，長度為50 cm，按照混凝土強度等級及表面封閉條件進行分組。矩形試件尺寸為10 cm×10 cm×40 cm，按照混凝土強度等級及表面封閉條件進行分組。其中工字型試件分為標準試件(G試件)和半封閉試件(GF試件)，半封閉試件封閉部位為下緣及腹板。矩形試件分為標準試件(B試件)和半封閉試件(BBF試件)，見圖3。

圖3 試驗模型表面封閉示意(單位：cm)Fig. 3 Surface closure diagram of test model

構件表面封閉材料采用環氧樹脂涂層，同時外包pvc膠布。通過調整環氧涂層厚度，調整對混凝土干燥收縮的抑制作用。其中工字型半封閉試件環氧涂層厚度約1 mm，矩形試件環氧涂層厚度約3 mm，見圖4。 模型試件混凝土材料按強度劃分為C1、C2兩個等級，水灰比分別為0.37、0.4。試件澆筑后采用灑水養護3天，構件封閉時間為8月3日。針對不同強度等級制作了立方體試件，進行28天抗壓強度試驗。將工字型試件及標準試件按照強度等級及封閉條件進行分組編號，詳見表1。

圖4 不同封閉條件的工字形試件Fig. 4 I-shaped specimens with different sealing conditions

試件類型編號等級封閉條件涂層厚度/ mm工字型試件G-1C1無封閉—GF-1C1半封閉1G-2C2無封閉—GF-2C2半封閉1 矩形試件B-1C1無封閉—BBF-1C1半封閉3B-2C2無封閉—BBF-2C2半封閉3

收縮試驗在重慶交通大學徐變試驗室內進行。試驗室內配備了溫度及濕度控制裝置。試驗中溫度控制為20±2 ℃，濕度控制為70%±5%。在試驗數據采集整理中，考慮了環境溫度及應變計測量誤差等因素。試驗數據采集時間為澆筑后第10天，為了避開自收縮發生劇烈的時段，降低混凝土自收縮的影響。數據采集時間為第1、3、7、15天，測試時間跨度為115天。

2.2 矩形試件試驗結果及分析

矩形試件分別考慮了混凝土強度等級、混凝土試件表面封閉條件等對混凝土試件的收縮變形的影響，試驗結果見圖5。

圖5 不同封閉條件下的矩形試件收縮變形曲線Fig. 5 Shrinkage deformation curve of rectangular specimens under different sealing conditions

由試驗結果可知：在相同強度等級條件下(相同水灰比)，構件的收縮受表面封閉條件影響顯著。以強度等級為C1的矩形試件為例，見圖5(a)，在第100天時無封閉試件B-1收縮為244 με，而封閉試件BBF-1收縮為142 με,收縮量降低41.8%。相類似的強度等級為C2的矩形試件，由于封閉涂層作用，導致收縮量降低49.7%，見圖5(b)。分析原因，由于混凝土表面涂刷了環氧涂層，一定程度上限制了混凝土與外界環境之間的水分交換，進而降低了混凝土的干燥收縮變形。

另外無表面封閉的試件，收縮變形發展受環境溫濕度變化影響顯著，B-1及B-2試件收縮曲線在第20天及第58天均出現明顯拐點。而同時期的表面封閉試件BBF-1、BBF-2試件收縮曲線較為平順。表明封閉涂層可以有效降低環境溫濕度變化對混凝土干縮發展的影響。

2.3 工字型試件結果及分析

封閉條件下工字型試件分別考慮了混凝土強度等級、試件表面封閉條件等對混凝土試件的收縮變形的影響,試件收縮變形結果見圖6。

圖6 工字型試件收縮變形曲線Fig. 6 Shrinkage deformation curve of I-shaped specimens

分析圖6(a)、圖6(c)可知，由于工字型試件上緣板及下緣板厚度存在差異，導致試件上、下緣收縮變形差異顯著。以第58天為例，G-1試件上、下緣處收縮變形值分別為314、193 με，收縮變形差值達到121 με；G-2試件上、下緣處收縮變形值分別為324、146 με，收縮變形差值達到78 με。另外，無封閉涂層試件上、下緣收縮變形差值在第58天左右出現明顯拐點。在0～58天期間，G-1試件及G-2試件上、下緣收縮變形差值均呈現單調增加趨勢，但第58天后變形差值呈現逐漸降低趨勢。在第115天時，G-1試件及G-2試件上、下緣處收縮變形差值分別減小為47、37 με。

試件GF-1、GF-2由于在下緣結構表面設置了封閉涂層，其上下緣收縮變形差異更為顯著,見圖6(b)、圖6(d)。以GF-1試件為例，在第115天時上、下緣處收縮變形值分別為285、212 με，其截面收縮變形差值為73 με,約為無封閉條件的工字型試件G-1截面收縮變形差值的1.55倍。封閉條件下的工字型試件上、下緣收縮變形發展趨勢有明顯差異，上緣收縮變形隨時間變化關系曲線在第58天時出現拐點，而下緣變形曲線則無明顯拐點。另外封閉端的下緣收縮曲線較為光滑平順，而暴露于空氣中的上緣收縮曲線波動性較大。由此不難看出，表面涂刷封閉涂層后，可以有效降低環境濕度變化對混凝土干燥收縮的影響。封閉條件下工字型試件上下緣收縮變形發展總體趨勢與標準試件相類似，即混凝土強度等級越高(水灰比越小)，相同齡期下混凝土的收縮變形越小。以上緣測點為例，不同強度等級的工字型試件GF-1、GF-2在第115天時的收縮值分別為285、313 με。

上述試件結果表明，工字型截面試件由于發生不均勻收縮，上下緣收縮應變不一致，結構在發生軸向收縮變形的同時，還將產生撓曲變形。為進一步研究試件撓曲收縮變形特征，對試件上下緣變形數據進行擬合，換算為截面變形曲率。為使擬合公式貼近常用收縮變形計算公式，采用了與ACI209最為接近的Hyperbl公式。ACI209收縮變形計算式為:

(1)

式中：εu為收縮應變終值；A為與混凝土養護條件相關的參數;t0為混凝土干燥收縮開始時間；t為混凝土干燥收縮時間。

Hyperbl公式的一般表達為：

(2)

式中：p1、p2為待定常系數。

利用數據處理軟件OriginPro，對工字型試件數據進行擬合，擬合參數結果見表2。

表2 擬合公式參數計算Table 2 Parameter calculation of fitting formula

假定工字型試件收縮變形時滿足平截面假定，則截面收縮曲率計算式為：

(3)

式中：εtop、εbot分別為試件上下緣應變；h為工字型試件截面高度。

由工字型試件截面收縮曲率擬合曲線可以看出，工字型試件由于不均勻收縮而發生撓曲變形。對于無封閉試件，如圖7(a)，撓曲變形在30～40天發展到最大，而后逐漸降低，試件G-1、G-2收縮曲率最大值分別為285.5、262.4 με/m，在第115天時，收縮曲率降低為221.8、93.6 με/m；有封閉條件下，工字型試件GF-1、GF-2收縮撓曲變形基本為遞增的，而無明顯的降低趨勢，在第115天時，收縮曲率分別為312.0、513.7 με/m，如圖7(b)。以上試驗結果表明，通過在構件表面特定位置處設置封閉涂層，可以控制和調整構件的收縮曲率發展趨勢。

圖7 工字型試件收縮變形曲線Fig. 7 Shrinkage deformation curve of I-shaped specimens

3 基于干縮變形控制的實橋分析

3.1 實橋封閉涂層方案設計

以江津長江大橋為例，對干縮變形控制方法的效果、適用條件及影響因素等進行數值分析。該橋于1997年建成通車,主橋跨徑布置為140 m+240 m+140 m連續剛構橋。由于存在跨中下撓及箱梁開裂問題，于2008年進行了體外預應力加固，加固后跨中變形恢復約2 cm。

根據江津長江大橋的結構特點，制定箱梁表面涂層布置方案，使主梁在干縮過程中，產生向上的撓曲變形，以降低橋梁在長期運營過程中的下撓變形。具體方案為，在主梁全長范圍內的腹板及底板涂刷封閉涂層，僅將頂板暴露于空氣中。通過限制箱梁腹板及底板的干縮變形，使結構在干縮過程中產生向上的撓曲變形，封閉涂層布置見圖8。

圖8 主梁封閉涂層布置方案Fig. 8 Layout scheme of sealing coating for main beam

考慮到在實際結構中，封閉涂層對結構干縮變形控制效果可能受到環境濕度、涂刷時間與混凝土澆筑時間的時間間隔及封閉材料性能等因素的影響。在數值分析中，針對上述3種影響因素進行參數敏感性分析。計算模型采用三維有限元模型，通過濕度擴散-結構變形耦合分析，模擬箱梁結構設置封閉涂層后的收縮變形行為，計算原理及相關計算方法詳見文獻[6]、文獻[7]。

3.2 封閉涂層作用效果分析

為分析箱梁表面封閉涂層的作用效果，首先假定涂層封閉時間為橋梁施工完成，環境平均濕度為60%。同時假定混凝土表面涂層材料為理想材料，即可以完全阻隔混凝土表面水分揮發。分析中僅考慮混凝土收縮單一因素作用，而未考慮混凝土徐變、預應力及其它荷載作用。有限元分析結果表明，由于封閉涂層的阻隔作用，對箱梁底板及腹板的內濕度擴散及干燥收縮產生約束抑制作用，進而轉變了箱梁結構的撓曲收縮變形方向。圖9顯示了箱梁表面封閉涂層設置6 000天后跨中截面呈上翹變形。

圖9 封閉涂層作用下結構整體收縮變形及內濕度分布(t=6 000天)Fig. 9 Shrinkage deformation of the whole structure and internal moisture distribution under the influence of sealing coating (t=6 000 day)

圖10比較了箱梁表面設置封閉涂層后6 000天內結構整體的收縮變形情況。設置封閉涂層后，有效降低了主梁收縮變形總量，如圖10(a)。設置封閉涂層后第6 000天時，有涂層結構及未設置涂層結構，邊支點處軸向收縮變形分別為3.43 cm和7.01 cm。由于封閉涂層的作用，導致結構軸向收縮變形總量降低了51%。另外，封閉涂層對控制箱梁長期撓曲收縮變形影響顯著,如圖10(b)。對于未設置涂層結構，由于箱梁截面的撓曲收縮，使得中跨結構在長期收縮變形中呈下撓趨勢，成橋后第6 000天時跨中收縮下撓值達到-4.97 cm。設置封閉涂層后，轉變了箱梁截面的撓曲收縮變形趨勢，產生上翹變形，同期跨中收縮上翹值達到5.6 cm。

圖10 封閉涂層作用下結構軸向收縮及撓曲收縮變形比較Fig. 10 Comparison of axial and flexural shrinkage deformation of the structure under the influence of sealing coating

3.3 環境濕度敏感性分析

混凝土材料的干燥收縮受環境濕度影響顯著。為進一步驗證封閉涂層在不同濕度環境下的作用效果，針對環境濕度影響開展參數敏感性分析。取環境平均濕度為80%、70%、60%，封閉材料涂刷時間為成橋后。不同濕度條件下，設置封閉涂層后橋梁軸向收縮變形及跨中撓曲變形計算結果如圖11。

封閉涂層對控制主梁變形的作用效果受到環境濕度影響顯著。當環境平均濕度由60%增加到80%時，跨中截面撓曲變形由5.6 cm降至2.8 cm，邊支點處軸向收縮變形也由3.4 cm降至1.7 cm。

3.4 涂層設置時間敏感性分析

封閉涂層設置時間，對結構干燥變形控制效果影響顯著。封閉涂層設置時間越早，對混凝土干縮變形的抑制作用越明顯。考慮到實際應用過程中，為避免施工原因造成的涂層破壞，一般涂層設置時間在全橋施工完成后。另外為驗證不同使用年限的已成橋梁，采用封閉涂層對結構變形的控制效果，因此在涂層設置時間敏感性分析涂層設置時間分別取為成橋后及成橋后300天、1 500天、3 500天。計算結果如圖12。

圖12 不同涂層設置時間條件下結構軸向及撓曲變形Fig. 12 Axial and flexural deformation of the structure under the conditions of different coating setting time

封閉涂層的設置時間，直接決定了對結構干縮變形的控制效果。封閉涂層施加的時間越早，則主梁結構邊支點軸向收縮變形越小，跨中截面上抬變形越大。以成橋后1 500天施加封閉涂層為例，施加涂層前主梁結構由于截面非均勻收縮導致跨中產生下撓變形值為2 cm。而施加涂層后，由于封閉涂層抑制了箱梁底板及腹板的收縮變形，使主梁開始產生向上的撓曲變形，7 300天時主梁跨中上撓變形為1 cm,見圖12(b)。由于封閉涂層的施加，主梁軸向收縮變形速率顯著降低，在軸向收縮變形隨時間發展曲線上出現明顯拐點，見圖12(a)。

4 結 論

以封閉條件下的混凝土干縮試驗為基礎，提出了一種基于混凝土干縮變形機理的PC箱梁橋變形控制方法。采用數值仿真技術對各影響因素進行了敏感性分析，可以初步得出如下結論：

1)模型試驗結果表明，由于封閉涂層的阻隔作用，可以有效改變混凝土結構干燥收縮曲率，115天時封閉組試件相對于無封閉組的收縮曲率增大了1.4～5.5倍。因此通過調整涂刷部位，可以控制結構收縮撓曲變形方向及發展趨勢。

2)實橋封閉涂層試設計及有限元仿真結果表明，采用在箱梁外表面涂刷封閉涂層可以改變PC箱梁橋結構收縮變形形態，并產生有利于結構受力狀態的上翹變形。分析結果表明，由于箱梁表面封閉涂層的作用，使主梁跨中收縮下撓值由-4.97 cm轉變為上翹變形5.6 cm。

3)封閉涂層對結構干縮變形控制效果受到環境濕度及涂層設置時間等因素影響顯著。其中當環境平均濕度由60%增加到80%時，封閉涂層對跨中截面撓曲變形的改善作用減低50%。同時封閉涂層施加的時間越早，則主梁結構邊支點軸向收縮變形越小，跨中截面上抬效果越顯著。

4)對于不同材料的封閉效果及耐久性等問題有待進一步的試驗研究。