下穿鐵路橋涵框架混凝土施工過程中結構對混凝土溫度場與應力場的影響研究

中圖分類號：U455.43 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）18-0037-04

Abstract：Inthispaper，theinfluenceof thestructureonthetemperaturefieldandstressfieldoftheconcreteduring the constructionofunder-crossingrailwaybridgesandculverts，combinedwithnumericalsimulation，thestructureshowsthatthe concretematerialisadurablematerial，butitisessentiallyanon-uniformporousmaterial.Fordiferentconstruction environments，appropriateconcretematerialsshouldbeselectedtomakebeteruseoftheconcretepropertiesandcontrolthe occurrenceofcracks；whenconsideringstructuralcracks，thegreaterthetemperaturediference，thegreaterthethermalstre. Duringtheconstructionofframeboxculverts，specialatentionshouldbepaidtothecornersandcomerpointsonboth sides alongthehorizontaldirectionontheconcreteflor，whichisthemainpositionofthemaximumtensilestress；whencarryingout stressanalysisonthediagonalframesystem，thetemperaturestressanalysisatdiferentanglesismainlycarredoutby convertingtheobliqueintersectiontotheforwardintersection.Itanbeknownthroughnumericalsimulation，itisconcludedthat thelargerthediagonalangle，thehigherthetemperatureatthecenterofthewall，whichleadstogreatertemperaturetressand lower the crack suppression effect.

Keywords： frame bridge; crack；numerical simulation; concrete; temperature field; stress field

近年來，隨著國內(nèi)經(jīng)濟的發(fā)展，土木行業(yè)也在不斷發(fā)展，在施工中常伴有改建或擴建等一些工程建筑項目，根據(jù)不同的施工項目，對不同的施工工藝提出相應的要求，即需要在不影響工程設施上方鐵路或公路正常運行的條件下完成施工。

在既有鐵路或者公路等施工過程中，伴隨著上方車輛施加運行荷載，對下方施工路基等產(chǎn)生強烈的振動，從而極易引發(fā)下方路基發(fā)生失穩(wěn)，破壞原有結構，導致結構破壞，路基坍塌，進而引發(fā)一系列嚴重的后果。

現(xiàn)階段，在既有大跨度框架橋涵施工過程中，D形便梁的施工工藝已無法滿足相應承載力要求。而在強度和剛度方面，不管是橫抬梁等施工工藝都無法滿足大跨度框架橋的施工工藝。在下穿既有鐵路施工過程中，既能保證原有建筑不被破壞，同時能保證現(xiàn)有施工項目的施工質(zhì)量，具有十分重要的工程意義。在鋼筋混凝土結構的發(fā)展歷程中，有關裂縫等方面的研究一直是廣大學者研究的課題，隨著新工藝、新技術的出現(xiàn)，這項課題一直在修改和完善。

在橋涵工程施工過程中，橋梁墩臺、框架結構等是施工的主要內(nèi)容，也是結構的主體。混凝土結構自身存在結構復雜、體積大、技術運用多樣等特點，在實際施工過程中若沒有很好地控制好約束條件、水化熱等，很可能導致大體積混凝土內(nèi)部產(chǎn)生結構裂縫，影響橋涵建設，造成嚴重的道路交通安全隱患。因此在施工過程中，對于施工技術、管理體系等方面進行強化，提升混凝土結構的整體施工質(zhì)量2]。

為了使得施工安全、高效，現(xiàn)結合現(xiàn)場施工經(jīng)驗及理論研究，對下穿鐵路框架橋混凝土裂縫防治進行全面的分析，為澆筑框架混凝土橋涵梁施工提供依據(jù)。

1結構對混凝土溫度場和應力場的影響

1.1 混凝土的影響

混凝土是由外加劑以及石子、水泥、沙子等組成的多復合材料。因結構材料組成復雜且多樣化，其內(nèi)部自身存在微小裂縫，因此內(nèi)部結構的多樣性和復雜性決定了其力學性能在一定程度上的離散性。混凝土結構中本來存在微小裂縫，但其本質(zhì)不會對結構產(chǎn)生損害，若受到外荷載或者溫度的影響，自身裂縫不斷延伸并連通，最后就會形成常見的“裂縫”，而規(guī)范中常說的就是此類裂縫[4-5]。雖然混凝土材料是一種耐久性材料，但本質(zhì)上是一種非均勻的多孔材料，在二氧化碳、水、氯離子和硫酸鹽等介質(zhì)的侵蝕作用下，不可避免受到外來因素的影響而腐蝕，裂縫擴展，混凝土會加速破壞，使用壽命大大縮短。而針對不同的施工環(huán)境，應選擇合適的混凝土，注重混凝土整體質(zhì)量，才能更好地利用混凝土性能，控制裂縫產(chǎn)生。

1.2結構受力對混凝土溫度場和應力場的影響

關于結構型裂縫，其主要是由受力引起的，具體來說就是各種結構在主要荷載的作用下，抗拉及抗震強度不足；但混凝土結構構件在設計荷載（受彎、受拉荷載）作用下，其受拉區(qū)出現(xiàn)裂縫很難避免，因為混凝土抗拉能力太弱，不足以防止裂縫發(fā)生。通過數(shù)值模擬計算，對結構應力進行分析如圖1所示。

底板在后 40h 左右內(nèi)外出現(xiàn)最大溫差，在產(chǎn)生最大溫差時計算應力，由主應力云圖可以看出，在底板橫向拐角處出現(xiàn)最大主應力，最大主應力在 1.7MPa 左右，從主應力云圖中同時可以看到，在底板產(chǎn)生最大溫差時，主應力在板內(nèi)部為主壓應力，底板最下邊也為主壓應力，但在底板上表層及側邊出現(xiàn)主拉應力，主拉應力分布在表層，由內(nèi)向外逐漸變大，在最外層主拉應力達到最大。沿著板厚方向定義路徑查看沿著路徑方向的主應力變化，在底板后 40h ，取底板中部，右側及拐角處查看沿著不同方向的主應力變化。

如圖2一圖5所示，在底板中間距離地面高 0.42m 的位置開始出現(xiàn)主應力，并在 0.42～0.7m 處主應力隨著離表層的距離減小而增大，在最表層處達到最大主應力 1.435MPa ，在底板右側，在距離地面高 0.44m 的位置開始出現(xiàn)主應力，同樣在 0.44～0.7m 處主應力隨著離表層的距離減小而增大，但在表層處達到最大主應力 1.627MPa ，表層最大主應力由于存在拐角，比中間部位要大，在底板右腳處，水平方向在距離側邊0.4m 位置處開始出現(xiàn)主應力，底板側邊表面最大主應力為 1.357MPa ，由底板右側傾斜方向應力沿路徑變化曲線可以看出，主應力從內(nèi)部到底板右下角角點處逐漸增大，沿著 45^° 傾斜方向內(nèi)部距離底板右下角角點 0.6m 處就開始有主應力，并在右下角角點處最大主應力達到 1.617MPa ，因此，由上述結果可以得出，在混凝土底板上尤其要注意沿橫向的拐角處及兩側角點位置為主拉力最大位置，

綜合考慮計算結果，結合計算誤差和加載過大等引起的各種裂縫，同比考慮混凝土材料和配合比在施工中的不嚴謹?shù)龋瑢е赂黝惲芽p性質(zhì)不相同，裂縫成因也是各有差異。

1.3斜交角度對混凝土溫度場和應力場的影響

對于斜交框架體系的受力分析，現(xiàn)行的計算理論主要有斜交轉正交計算理論和斜交計算理論2種方式。所謂的斜交轉正交計算理論就是將斜交框架箱涵按結構尺寸換算成正交框架箱涵，在同樣的受力條件下計算結構的彎矩和變形情況[6-8]。近些年各大設計院普遍采用斜交轉正交理論來計算斜交角度的框架箱涵。斜交計算理論就是直接以斜交的方式，通過空間計算結構的彎矩和扭矩，再以主方向上的彎矩和扭矩進行設計配筋。在此采用ANSYS分析斜交角度對混凝土結構裂縫控制的影響。

分析不同斜交角對框架橋涵結構的影響，圖6和圖7為斜交角度分別為 60^° 與 45^° 時，混凝土箱涵的溫度場云圖，在靠近端口處與離端口1/4處橫截面的溫度云圖。由圖8和圖9可以看出，斜交角度越大，墻體中心處的溫度就越高，其與外表面的溫差也就越大，因此溫度應力也就越大，不利于裂縫的控制。因此，框架橋橋涵越接近正交，越應該重視混凝土前期的養(yǎng)護，避免溫差過大，導致開裂。

結合圖7一圖9可知，混凝土達到一定拉應力時，及時張拉板中的部分預應力筋，以確保混凝土在施工階段不出現(xiàn)溫度裂縫。結合實際情況，若在頂部橫向之間布置縱向預應力筋，導致四角裂縫產(chǎn)生并衍生發(fā)展，因此頂板中間不能布置縱向預應力筋。但是在頂板靠近墻面除布置預應力筋反而能達到抑制斜裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。在實際施工過程中，若能考慮到對內(nèi)側墻體提前施加縱向應力，使得應力對內(nèi)部墻體產(chǎn)生較大的壓縮變形，同步減輕內(nèi)墻對頂板的相應約束，裂縫則較少產(chǎn)生。當給頂板的中廳板布置預應力筋后，板和墻體的交接處會產(chǎn)生剪力并進行傳遞，而剪力存在峰值，對抑制裂縫效果方面極其不合理，因此給相應頂板和中板不宜布置較多預應力筋。

1.4配筋對抑制裂縫影響

因為配筋對框架橋涵的裂縫也至關重要，現(xiàn)通過配筋率及預應力筋2方面來分析配筋對裂縫的影響，再通過數(shù)值計算，分析框架橋涵的配筋特點。

配筋率是鋼筋混凝土構件中縱向受力（拉或壓）鋼筋的面積與構件的有效面積之比。在橋梁工程中，一般指的是面積配筋率，即受拉鋼筋面積與主梁面積之比。只有保證鋼筋混凝土橋涵配筋率符合要求，才能避免工程出現(xiàn)超筋梁或少筋梁的現(xiàn)象，減少結構產(chǎn)生裂縫，保證安全質(zhì)量，保證技術經(jīng)濟效益。

1.4.1 框架橋涵配筋計算原則

框架橋涵各桿件均按鋼筋混凝土結構設計。

頂?shù)装鍡U件按雙筋矩形截面受彎構件進行配筋計算，不考慮軸向力影響。邊中墻桿件按偏心受壓構件進行配筋計算。

鋼筋彈性模量與混凝土變形模量之比值 n：Hlt;1.0m n=15m;H?1.0m，n=10m

1.4.2 斜交橋涵鈍角處的配筋

如圖10所示，隨著斜交角度 θ 的增大，當垂直角度和跨度保持不變時，鈍角處的縱向彎矩在整體截面中呈現(xiàn)遞增趨勢7]。

如圖11所示，為保證結構整體可靠性和耐勞性，斜交角度越大，所用的抗拒含量值越高。

根據(jù)以上對比結果，結合工程實際，根據(jù)斜交理論，合理配置鋼筋，以達到應力要求；隨著斜交角度增大，在鈍角處若配置鋼筋增加，應按照斜交轉正計算

相應內(nèi)力，則可達到施工過程中混凝土的耐久性和可靠性。

2 結論

1）按照混凝土材料自身特點，對于不同的施工項目，根據(jù)其施工類型、地域、施工的環(huán)境等，選擇適合的混凝土進行施工；在施工過程中，注重混凝土的整體質(zhì)量，控制施工流程，利用好混凝土自身的性能達到控制裂縫的效果。

2）根據(jù)以上數(shù)據(jù)可知： ① 混凝土施工過程中當溫差越大，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的溫度應力也越大，從而導致結構型裂縫也越大； ② 框架箱梁施工中，距離底板不同位置處出現(xiàn)不同程度拉應力，但最大主應力出現(xiàn)的位置為混凝土底板上的拐角處和兩側角點。

3）通過數(shù)值模擬結論可知：在斜交框架體系中，斜交角度越大，混凝土內(nèi)部溫度越高，從而溫度應力越大，抑制裂縫效果越低，所以在施工過程中應該合理規(guī)劃斜交角度，達到最佳抑制裂縫效果；若在施工中存在斜交角度較大的情形，且角度為鈍角時，應在鈍角處增加配筋率。

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