寬幅預應力混凝土連續箱梁橋施工裂縫控制研究

伊新國

（中鐵十九局集團第二工程有限公司，遼寧遼陽 111000）

0 引言

在交通基礎設施不斷發展的當今，預應力混凝土連續箱梁得到廣泛的應用，但在實際施工及設計時，受各種因素的影響，部分預應力混凝土連續梁橋常有裂縫出現，特別是在寬幅預應力混凝土連續箱梁施工中常有裂縫出現。

1 有限元模型

某預應力混凝土變截面連續箱梁采用單箱3 室直腹板橫截面形式，橋梁標準斷面有49.5 m 的寬度以及0.3 的寬跨比。橋梁截面尺寸如圖1 所示。

基于該橋梁的特點，采用FAE 有限元分析軟件對其進行建模分析。對懸臂施工階段橋梁在各種工況下的應力狀態進行分析計算，基于橋梁裂縫所處位置以及具體施工狀況，對裂縫產生規律及原因進行分析，為后期施工提供依據。所建立橋梁模型如圖2 所示。因該橋梁施工時有較多裂縫出現在2#塊箱梁，因此僅分析2#塊箱梁懸臂施工。

2 影響因素分析

2.1 自重荷載效應分析

在理想施工狀態下，考慮澆筑2#箱梁后的自重效應，所得結果為：橋梁最大縱向壓應力以及拉應力分別為2.14 MPa 和1.43 MPa；橋梁最大橫向壓應力以及拉應力分別為0.79 MPa和0.67 MPa；2#箱梁在混凝土自重效應下有0.76 MPa 的最大拉應力出現在中間箱室頂板處，可知其滿足短期狀況構件的應力要求，即不會有裂縫出現。

2.2 混凝土水化熱影響分析

圖1 橋梁跨中截面

圖2 橋梁有限元計算模型

2#箱梁體積95 m3，屬于體積較大的混凝土，澆筑完混凝土后因水泥水化熱產生的影響不可忽視。混凝土初凝后會逐步有剛度以及強度形成，此時若仍處于升溫階段，可能會導致其表面出現溫度裂縫。水化熱降溫時釋放完畢后，混凝土的強度及剛度會有較大的提高，但因存在現澆段的約束，拉應力會因無法釋放而逐漸積累變大，更易出現裂縫。所用混凝土配比：400 kg/m3水泥，50 kg/m3粉煤灰，50 kg/m3礦粉。計算可得其最大絕熱溫升為68.1 ℃，26.6 ℃的混凝土拌合溫度和34.6 ℃的澆筑溫度。現場測試可得混凝土澆筑前后有24.5 ℃的溫差。

2.2.1 溫度場分析

不考慮混凝土的效應時，腹板和底板間的倒角處有54 ℃的最大水化熱溫升。相比于中間箱室的頂底板溫度，腹板與頂底板交界處的溫度較高。相比之下，腹板溫度比底板和頂板溫度高。分析原因為厚度較大的腹板難以與外界開展熱量交換，故其具有較高的溫度。

取頂底板上下表面進行分析，所得結果如圖3 所示。隨著混凝土齡期的不斷變化，頂底板混凝土的水化熱溫有著一樣的變化規律。

圖3 箱梁頂底板溫度隨混凝土齡期變化曲線

從圖3 可知，在第12 h 有最大的混凝土溫升，此時頂板溫度低于底板溫度。混凝土頂底板的溫度變化有3 個較為顯著時期劃分，分別是升溫期0～12 h，降溫期12～105 h 以及105 h 后的穩定期。混凝土的自重效應對其水化熱反應有一定影響。因此，混凝土的結構自重效應在對混凝土水化熱反應進行有限元計算時應加以考慮，使其更加貼近實際。頂板溫度實測結果與仿真結果相近，但經過12 h 后底板實測溫度與計算溫度有較大偏差出現，分析可能與混凝土的養護有關。

2.2.2 應力場分析

基于模型計算結果，在溫度以及混凝土的收縮徐變作用下，102 h 下箱梁頂板在在不考慮自重效應時的拉應力最大值為1.98 MPa，拉應力滿足規范要求，故不會出現開裂現象。但混凝土的溫度應力在其齡期變化時也會隨之改變，因此研究混凝土水化熱與裂縫之間的關系還需考慮其他影響。

圖4 混凝土應力隨齡期的變化（考慮自重）

從圖4 可知，當考慮混凝土的自重效應時，橫橋向拉應力有較大的增加。頂板下表面混凝土在40 h 之后的拉應力值大于其抗拉強度，即頂板混凝土可能會有開裂現象出現。相比之下，縱橋向應力在考慮自重效應之后變化較小，表明自重對橫橋向應力影響較大。

在0～12 h 時，混凝土頂底板的應力在不考慮自重效應時主要是壓應力，且其值與溫度成正比例關系。在12～36 h 時，混凝土頂底板應力隨著齡期的推移而不斷降低并趨于0；混凝土橫橋向拉應力在36～105 h 內隨著齡期的增加而不斷增加，但在105 h 后則不斷降低。頂底板下表面拉應力大于上表面；頂板下表面在40 h 后有超出抗拉強度標準值的拉應力出現，說明可能在頂板下表面會有縱向裂縫出現，需對其溫度進行控制。底板上下表面拉應力均小于抗拉強度標準值，故不會有開裂現象出現。

頂板下表面在考慮自重效應情況下的縱橋向拉應力均小于抗拉強度標準值，故不會出現開裂現象。在0～12 h 內，頂板上表面縱橋向拉應力隨著溫度的升高而不斷升高；在12～40 h內，其值逐漸減少并趨于0；40 h 之后有壓應力出現在頂板混凝土。此外，頂板上表面在0～18 h 內有比抗拉強度標準值大的縱橋向拉應力出現，表明頂板上表面可能會出現開裂；底板上表面壓應力始終小于抗拉強度標準值，因此不會有開裂現象；底板下表面混凝土在0～10 h 內有大于抗拉強度標準值的拉應力出現，故在其底板下表面可能有橫向裂縫。

從上述分析可知，將抗拉強度作為裂縫出現的依據考慮溫度收縮裂縫時，所得結果與實際情況較為不符。因此，將基于混凝土收縮徐變的基礎，以極限拉伸作為依據考慮其溫度收縮裂縫。所得結果如圖5 所示。

圖5 混凝土應力隨齡期變化（考慮極限拉伸）

頂板上表面混凝土在考慮混凝土極限拉伸之后30～80 h內的溫度應力超出允許值，同樣，其底板下表面混凝土在30～60 h后的溫度應力也超出允許值；即代表此時將會有縱向裂縫出現在頂底板下表面位置，此時箱梁混凝土所處階段為降溫期。頂底板混凝土應力在其水化熱穩定后趨于穩定。從圖5 可知，底板下表面混凝土在0～28 h 內的溫度應力大于允許值，此時將會出現橫向裂縫。基于橋梁裂縫的實際發布位置可知，在分析混凝土收縮裂縫成因時，以其極限拉伸為參考進行分析更加準確。

3 結語

基于對寬幅箱梁裂縫與混凝土水化熱之間關系的研究，總結出裂縫控制中的溫度控制措施。

（1）混凝土的配比設計。混凝土裂縫的出現與其水化熱有較大聯系。因水泥用量與混凝土水化熱表現為正比例關系，故實際施工時應選擇低熱水泥。可通過摻入適當的粉煤灰來降低水泥含量。

（2）澆筑溫度控制。應在溫度較低的情況下澆筑混凝土，即混凝土的澆筑宜在夜間進行。可采用加入冷卻拌和水的方式降低其出倉口溫度；可通過澆筑冷卻的方式降低運輸混凝土時的升溫現象。