橋塔水化溫度效應及開裂原因分析

黃維樹，宋軍

（1安徽省交通控股集團有限公司，安徽 合肥 230088；2上海同濟檢測技術有限公司，上海 200092）

1 引言

混凝土在內部水化效應以及外界散熱的影響下，產生復雜的溫度效應，當結構受到約束時，產生應力效應，可能引發內部與表面的開裂[1]。水化溫度問題在水工、橋梁承臺等大體積結構中得到重視，有較多的控制方法[2、3]。橋梁塔柱具有壁厚較厚、標號高水泥用量大等特點，在施工中也容易產生開裂的現象[4]。

本文以蕪湖長江公路二橋橋塔為例，開展無溫控措施下的溫度仿真以及熱力耦合分析，對開裂成因進行研究。蕪湖長江公路二橋橋塔設計為分肢柱式塔，設計為C50混凝土，總高259.48m。中下塔柱橫向分為2肢，為扁平截面，高151.48m；上塔柱為八邊形空腔截面，高108m。橋塔采用爬模法施工，分節高度為4～6m，見圖1所示。

2 分析方法

2.1 溫度計算

圖1 橋塔總體布置及典型斷面圖

溫度計算采用瞬態熱傳導基本方程[1]，描述如下：

式中：T為瞬時溫度；t為時間；λ為導熱系數；ρ為密度；c為比熱容；Q為生熱函數。

生熱函數中，絕熱溫升由試驗測定為58.3℃。此外，計算中考慮外表面的對流效應，由反推確定模板覆蓋情況下單位時間的對流系數為2W/m2，拆模后裸露表面單位時間的對流系數為15W/m2。

2.2 應力計算

早齡期混凝土材料特性具有時變特征，表現為彈性模量、抗拉強度隨時間增長以及徐變效應。彈性模量增長按照CEB-FIP提供的模型選用[5]。徐變效應選用文獻[1]提供的計算公式進行計算：

式中：C(t,τ)為 τ時刻加載至 t時刻的徐變度，其中 C1=0.23/Ec，C1=0.52/Ec；Ec為彈性模量。

分別建立中下塔柱以及上塔柱的實體有限元模型，開展溫度以及應力仿真分析計算。

3 中下塔柱分析

3.1 溫度分析

分肢段塔柱仍然具有超過1m的厚度，水化熱產生的溫升效應仍然較為顯著，內部最高溫達到80℃（入模溫度28℃），且占據較大的范圍，內側散熱慢，其溫度也高于外側溫度，見圖2所示。

3.2 應力分析

圖2 中下塔柱溫度場（單位：℃）

由于前后節段齡期差相差較小，兩層之間的彈性模量相差并不懸殊，且截面尺寸相差較小，因此上層與下層混凝土剛度差也較小，當上層產生降溫收縮位移時，下層也會產生相應的位移。從溫度應力計算可以看出，下部最高應力達到4～5MPa，分肢斷面大部分區域的應力位于2～4MPa之間，該應力水平也超出了混凝土自身的抗拉強度。

4 上塔柱標準節分析

4.1 溫度分析

上塔柱標準段溫度計算結果見圖4所示，可以看出標準節段為傳統大體積混凝土構件，積聚熱量較多，內部較大范圍區域內溫升均較高，達到82℃；表面也維持較高溫度狀態，最高溫約為62℃；從最高溫變化曲線可以看出，實體到達最高溫歷時約3～4d，且溫峰持續時間較長，約 2～3d。

圖3 中下塔柱應力場（單位：Pa）

圖4 上塔柱溫度場（單位：℃）

4.2 應力分析

針對水化降溫作用下的體系應力進行分析，將橫橋向及縱橋向的最終應力場匯總于圖5所示。

縱橋向應力及橫橋向應力較大區域位于大實體區域與下方節段的結合面上方，較大范圍應力位于3.5～4.0MPa。由于上塔柱橫縱尺寸較為接近，兩個方向的應力水平相當。

5 開裂機理分析

圖5 上塔柱應力場（單位：Pa）

結構的全部或者部分邊界收到外界約束，溫度變化時不能自由變形而引起的應力。例如混凝土澆筑冷卻時受到基礎的約束而產生的應力。塔柱上下層由于溫度不同，也會產生這種約束的應力。

根據前述計算分析可知，對于下塔柱，兩側薄壁下方存在高應力區域，對于上塔柱，在下方內部存在高應力區域，可能產生貫穿開裂，見圖6所示。

圖6 內部開裂示意圖

外約束產生的裂縫由于破壞了結構完整性，削弱結構力學性能；并且會導致水分或空氣的進入，加速混凝土碳化以及鋼筋、勁性骨架的腐蝕，影響結構的耐久性能。因此開展溫度控制對于橋塔十分重要。

6 結論

以蕪湖長江公路二橋為例，開展了橋塔溫度響應研究以及裂縫成因的研究，主要結論有：

①中下塔柱薄壁內容易積蓄較高的溫升效應，且由于薄壁剛度較低，在降溫期間，受結合面約束可能產生貫穿的開裂現象；

②上塔柱澆筑方量大，內部溫度不容易擴散，在降溫期間受下方混凝土的約束，結合面也可能產生深層的開裂現象；

③橋塔塔節之間的約束為普遍現象，在溫度較高的情況下，容易引發不同程度的開裂，應采取有效的措施對溫度應力進行控制。