收縮對分期澆筑砼箱梁受力性能的影響分析

孫增壽 唐一瑞 王 濤

（鄭州大學土木工程學院交通工程系，鄭州450001）

0 引 言

混凝土箱梁的澆筑方案一般有整體一次澆筑和分層澆筑。整體一次澆筑施工要求高、振搗困難、底板質量難以保證且需要大量模板。相較于整體澆筑，分層澆筑降低了混凝土澆筑的施工難度，便于振搗，可提高澆筑質量，節省模板［1］。

一般情況下，兩次混凝土澆筑的時間間隔較短，這時上下層的收縮應變差別不大。但由于環境或者施工條件等因素，會存在上下層間隔時間較長的分層澆筑情況，這里將時間間隔較長的分層澆筑稱為分期澆筑，以示區別。當時間間隔較長時，箱梁上下層的混凝土收縮應變存在較大差異，會對箱梁的受力性能造成較大影響。

1 收縮計算及有限元模擬方法

1.1 收縮計算

在混凝土凝結和硬化的物理化學過程中，混凝土體積隨時間推移而減少的現象稱為混凝土收縮［2］。目前，國內外比較有代表性的收縮徐變效應計算模型有ACI 系列模型、CEB-FIP 系列模型、GL2000 模型和B-P 模型［3］。從計算精度、預測結果分布的均勻性和模型復雜性等幾個方面綜合考慮，CEB-FIP（MC2010）模型計算表現較好［3-4］。同時，中國規范JTG D62—2004《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》［5］中的收縮徐變模型（以下簡稱JTGD62 模型）與CEB-FIP 系列模型基本相同，因此本文采用JTGD62 模型對箱梁橋進行收縮效應分析［6］。

根據規范，混凝土收縮應變可按下列公式計算：

式中：t 是計算考慮時刻的混凝土齡期（d）；ts是收縮開始時的混凝土齡期（d），可假定3～5 d；εcs（t，ts）是收縮開始齡期為ts、計算考慮齡期為t 時的收縮應變；εcso是名義收縮系數；βs是收縮隨時間發展的系數。

1.2 收縮有限元模擬方法

混凝土收縮效應由材料種類、幾何形狀以及環境條件決定，當混凝土種類、澆筑時間及環境條件確定后，混凝土收縮應變由齡期決定［7］。在有限元分析中，通過降溫引起的材料收縮效應模擬混凝土收縮。實際計算時，首先根據式（1）計算出收縮應變；其次讓降溫產生的應變等于收縮應變，根據箱梁混凝土的實際線膨脹系數α，由式（2）和式（3）將收縮應變轉換為溫度作用；然后在有限元分析過程中，對結構施加相應的溫度作用就能夠實現對混凝土收縮應變的模擬。

通過改變溫度變化值，可以模擬不同加載齡期的混凝土收縮效應。混凝土分期澆筑造成的上下層混凝土加載齡期不同，對混凝土上下層分別假定不同的的溫度變化值，從而模擬混凝土分期澆筑的收縮效應。

2 分期澆筑簡支箱梁收縮分析

以圖1 所示預應力混凝土簡支箱梁橋作為分析模型，分析收縮對分期澆筑簡支箱梁受力性能的影響。箱梁跨徑50 m，采用C50混凝土，箱梁頂板寬3.2 m，底板寬2 m，箱高2.5 m，頂板、底板和腹板厚度均為0.2 m。在實際施工中，箱梁橋采用滿堂支架，分兩次現場澆筑，第一次澆筑至1.5 m箱高處，第二次從箱高1.5 m處澆至箱頂2.5 m處，因環保要求和春節放假，兩次澆筑間隔100 d。

圖1 箱梁截面（單位：m）Fig.1 Box girder section（Unit：m）

采用實體單元對箱梁進行有限元建模和精細化分析，總計5 400個單元。鋼筋對混凝土收縮具有約束作用，為充分顯示混凝土收縮對分期澆筑箱梁受力性能的影響，模型中不考慮鋼筋，如圖2所示。箱梁采用滿堂支架分兩次澆筑施工，具體施工流程如圖3所示。

圖2 箱梁模型圖Fig.2 Box beam model

圖3 箱梁施工流程圖Fig.3 Construction flow chart of box girde

2.1 分期澆筑對箱梁受力性能的影響分析

根據澆筑方式的不同，分別對同期澆筑和分期澆筑情況下收縮應變的影響進行分析，得到兩種方式下的變形和正應力情況。箱梁所受荷載為重力、預應力、二期荷載和收縮作用。箱梁分期澆筑時，上層齡期400 d，下層齡期500 d。箱梁同期澆筑時，齡期500 d。

沿跨中截面高度提取各點正應力，如圖4 所示，應力值如表1 所示。其中，差比表示差值與同期應力的比值，負號表示分期澆筑的應力減小，正號表示增大。分期澆筑與同期澆筑的應力變化趨勢如圖5所示。

圖4 跨中截面應力選取位置Fig.4 Cross-section stress selection position

圖5 箱梁跨中截面正應力變化圖Fig.5 Normal stress variation diagram of box girder span

箱梁同期澆筑和分期澆筑的跨中撓度分別是17 mm 和24 mm，分期澆筑的跨中撓度大幅增加，比同期澆筑大7 mm，增大41%。從表1 和圖5 可以看出，分期澆筑對分界面上下應力的影響較大，在分界面處存在應力突變，上部壓應力減小，減少8.40%；下部壓應力增大，增大14.3%，主要是收縮應變導致的。

綜合以上分析可以得出，當分期澆筑時，混凝土收縮應變不同步，后澆混凝土的收縮變形受到先澆混凝土的約束作用，分期澆筑截面上層受到拉應力，下層受到壓應力，所以箱梁上層壓應力減小，下層壓應力增大，且越靠近分期澆筑截面，箱梁上下層的正應力值變化越大，分期澆筑截面出現應力突變現象。箱梁分期澆筑的跨中撓度增大，箱梁底板受到的拉應力增大，則底板應力由壓應力變為拉應力。箱梁上部壓應力的減小可能降低壓應力儲備，箱梁底板出現拉應力對結構受力造成不利影響。

表1 箱梁跨中截面正應力Table 1 Box beam cross-section normal stress

2.2 時間間隔對箱梁受力性能的影響分析

收縮對分期澆筑混凝土箱梁受力性能的影響主要是由于上下層混凝土的收縮應變不同步導致的。由前面的理論推導可知，混凝土收縮應變與齡期密切相關，兩次澆筑的時間間隔對混凝土收縮應變有較大影響，直接影響混凝土箱梁的受力性能。

在圖1 結構模型基礎上，分別取分期澆筑時間間隔為60 d和140 d進行收縮計算，并與時間間隔100 d 的數據進行對比分析。各個時間間隔分期澆筑箱梁跨中撓度如表2所示。從表2可見，上下層澆筑時間間隔越大，混凝土箱梁在收縮作用下的跨中撓度越大，但撓度增加的速率降低。

表2 不同時間間隔分期澆筑箱梁跨中撓度Table 2 Staged deflection of box girder by different time intervals

在收縮作用下，不同時間間隔分期澆筑箱梁跨中截面正應力數據如表3 所示。跨中截面正應力分布及變化趨勢如圖6所示。

表3 不同時間間隔分期澆筑箱梁跨中截面正應力Table 3 Normal stress of mid-section of box girder by different time intervals

圖6 不同時間間隔分期澆筑箱梁跨中截面正應力變化圖Fig.6 Variation of normal stress of mid-section of box girder by different time intervals

從表3 和圖6 可以看出，在收縮作用下，不同時間間隔分期澆筑箱梁跨中截面的正應力總體分布趨勢接近，分期澆筑時間間隔越大，各個位置的正應力越大。上下層澆筑時間間隔越大，上下層收縮應變相差越大，下層混凝土對上層混凝土的約束作用越大，上下層應力變化也越大。反之，箱梁分期澆筑時間間隔越小，正應力的變化程度越小。所以，在實際施工中，盡量減少上下層分期澆筑的時間間隔，一般待底層混凝土強度達75%，即可澆筑上層混凝土。

3 不同齡期對未加載箱梁受力性能的影響分析

在分期澆筑全部完成后，由于先后澆筑混凝土齡期不同，后澆混凝土的收縮變形受到先澆混凝土的約束作用而導致后澆混凝土梁體內產生拉應力，如果該拉應力超過了混凝土的實時抗拉強度，就會造成后澆混凝土的開裂［8-9］。為此，對箱梁模型進行一定修改，假定不考慮其他荷載，即模擬箱梁全部澆筑完成，且沒有施加預應力前的受力情況。在上層混凝土齡期達40 d時，箱梁1.24 m和1.7 m 高處沿箱梁縱向的正應力變化情況如圖7所示。

圖7 正應力縱向變化圖Fig.7 Normal stress longitudinal change diagram

從圖7 可以看出，分期澆筑面上部出現拉應力，下部出現壓應力。箱梁兩端向內收縮，上下層混凝土相互約束，上下層都在靠近端部的位置出現最大應力，且端部應力變化較大，跨中部位應力變化較小。

當箱梁全部澆筑完成后，由于環境或施工條件等因素，無法及時張拉預應力和拆除支架，混凝土收縮持續發展，拉應力持續增長，但增加速率逐漸減小，可能會造成混凝土開裂。箱梁最大拉應力變化情況如圖8所示。

混凝土拉應力持續增長對混凝土結構受力性能影響較大，因此，一方面應在上層混凝土澆筑完成后，加強養護，促進混凝土強度生成，另一方面預應力張拉完成后盡早拆除支架，抵消收縮產生的拉應力，建議將混凝土在支架上的放置時間控制在2個月以內。

上述結果均是在彈性條件下的計算結果。但混凝土是一種彈塑性材料，一方面，由于水泥石在混凝土凝結時的收縮，在骨料和水泥石的結合面上存在微細裂縫，在受荷初期即存在非線性表現。另一方面，當混凝土壓應力達到設計強度的50%以上時，混凝土應力、應變關系呈現出一定的彈塑性特征；一般可通過彈塑性調整系數來考慮。若考慮混凝土材料的彈塑性，混凝土收縮對箱梁撓度和應力的影響減弱。

圖8 箱梁最大拉應力變化圖Fig.8 Box beam maximum tensile stress change diagram

4 結 論

（1）分期澆筑會造成箱梁上層壓應力減小，下層壓應力增大，在分期澆筑界面出現應力突變現象，以及箱底出現拉應力。分期澆筑的這一應力變化對箱梁結構受力造成不利影響。

（2）不同時間間隔分期澆筑的箱梁正應力變化趨勢比較接近，隨著時間間隔的增加，分期澆筑正應力增大。在實際施工中，應盡量減少上下層分期澆筑的時間間隔，一般待底層混凝土強度達75%，即可澆筑上層混凝土，具體時間間隔視環境溫度、養護情況和外加劑情況而定。

（3）隨著混凝土收縮持續發展，拉應力將持續增長，但增加速率逐漸減小。所以，一方面應在上層混凝土澆筑完成后，加強養護，促進混凝土強度生成；另一方面預應力張拉完成后盡早拆除支架，抵消收縮產生的拉應力，建議將混凝土箱梁在支架上的放置時間控制在2個月。