變截面連續(xù)箱梁施工階段裂縫成因分析

1、 變截面連續(xù)箱梁施工階段裂縫成因分析 摘要：某主跨為100m的變截面預應力混凝土連續(xù)箱梁橋，在懸臂澆筑施工過程中箱梁節(jié)段腹板及加腋處出現斜裂縫。判斷混泥土裂縫產生的原因與鋼束應力及施工養(yǎng)護方式相關，通過運用midas civil及fea有限元模擬，從鋼束應力、混凝土配合比及混凝土養(yǎng)護3個方面對其進行了影響分析。結果表明，箱梁施工裂縫與鋼束應力，混凝土配合比及混凝土養(yǎng)護方式密切有關，并針對分析結果提出預防措施。關鍵詞：混凝土連續(xù)梁；懸臂澆筑；施工裂縫；有限元模擬前言變截面預應力混凝土連續(xù)箱梁橋是大跨徑橋梁的經典橋型之一，該橋型結構線形簡潔明快，上部結構受力明確，結構體系變形小，剛度好，易于養(yǎng)護；

2、施工工藝成熟，工期易控制，掛籃懸臂施工對航道干擾小。隨著該橋型在我國各地的廣泛應用，施工過程中混泥土開裂的問題時有發(fā)生。裂縫的出現與材料特性、結構特點、施工工藝等多種因素相關。本文基于工程實例，對變截面連續(xù)梁懸臂澆筑過程中出現的裂縫從鋼束應力、混凝土配合比級混凝土養(yǎng)護等方面利用有限元軟件進行分析，得出結論并提出改進措施。1 工程概況某變截面連續(xù)梁橋（60+100+60m）采用單箱單室截面，邊墩處梁高為2.6m，中墩處梁高為6.0m，中間梁高按照拋物線變化。箱梁頂寬16m，箱梁底寬8.5m，左右懸臂長各3.75m?？v、橫向預應力鋼束采用高強度、低松馳270級15.2mm鋼絞線，標準強度fpk18

3、60mpa。豎向預應力短索采用二次張拉低回縮鋼束。箱梁砼等級為c55。箱梁整體如下圖1.1所示。圖1.1 箱梁整體圖2 裂縫分布與特征本連續(xù)箱梁懸臂施工過程中出現的裂縫其主要分布如圖2.1所示。圖2.1 裂縫分布示意圖裂縫分布特征：懸澆節(jié)段腹板斜裂縫分布方向基本與豎向預應力下彎鋼束方向一致，數量12條，長約0.50.8m；懸澆節(jié)段頂板加腋處裂縫方向基本與梁段縱向一致，裂縫數量12條，長約0.20.6m；在靠近主墩處13號節(jié)段出現裂縫的現象比后續(xù)節(jié)段明顯，裂縫寬度均較小，后續(xù)發(fā)展不明顯。3 有限元分析3.1 鋼束應力分析3.1.1 建立模型采用midas fea 3.7有限元軟件，選取03號箱梁

4、節(jié)段建立數值分析模型，施工階段劃分如下表3.1所示。表3.1 施工階段劃分階段激活階段激活10#塊52#塊2t0、w0、w06t2、w2、w231#塊73#塊4t1、w1、w18t3、w3、w3頂板束t0t3采用的鋼束型號為1515.2mm，腹板束w0（w0）w3（w3）采用采用的鋼束型號為915.2mm，錨下張力控制應力均為1395mpa。箱梁節(jié)段模型如下圖3.13.2所示。圖3.1 箱梁節(jié)段模型圖3.2 箱梁鋼束布置3.1.2 計算結果施工階段8即進行t3、w3、w3張拉后，2#、3#節(jié)段應力云圖如下圖3.33.5所示（壓負拉正）圖3.3 spxx應力圖（縱橋向）由上圖可知最大拉應力發(fā)生在

5、頂板翼緣，最大拉應力x=0.183mpa。腹板束彎曲段附近單元x方向均受壓，x方向最大拉應力spxx=-1.25mpa。圖3.4 spyy應力圖（橫橋向）由上圖可知最大拉應力發(fā)生在頂板加腋頂部，最大拉應力y=1.08mpa。腹板束彎曲段附近單元y方向局部受拉，y方向最大拉應力spyy=0.125mpa。圖3.5 spzz應力圖（豎向）由上圖可知最大拉應力發(fā)生在頂板加腋頂部，最大拉應力z=0.251mpa。腹板束彎曲段附近單元z方向均受壓，z方向最大拉應力spzz=-0.211mpa。3.1.3 結果分析由計算結果可知，2#、3#節(jié)段單元最大拉應力x=0.183mpa，y=1.08mpa，z=0

6、.251mpa，腹板束彎曲段附近單元最大拉應力spxx=-1.25mpa，spyy=0.125mpa,spzz=-0.211mpa，均不超混凝土拉應力設計值ftd=1.89mpa。但從本項目斜裂縫的分布形狀及方向來看，腹板束徑向應力應是直接原因之一，初步分析其產生的原因為該階段腹板鋼束應力與后續(xù)節(jié)段鋼束張拉及養(yǎng)護方式等因素產生的應力形成了疊加，加劇了裂縫的開展。3.2 混凝土配合比及混凝土養(yǎng)護方式分析3.2.1 分析概況分析不同混凝土配合比情況下，自然養(yǎng)護和噴霧養(yǎng)護的養(yǎng)護效果，混凝土配合比如下表3.2所示。表3.2 c55混凝土生產配合比（1m）類型水泥（kg)粉煤灰（kg)黃沙（kg)5-1

7、0mm碎石（kg)10-20mm碎石（kg)水（kg)外加劑（kg)4257568322991712044505072372311131144.33.2.2 建立模型采用midas civil 2019有限元軟件，選取2#、3#箱梁節(jié)段，建立水化熱數值分析模型。3#節(jié)段箱梁內表面拆模后（24h后拆箱梁內模），分析自然養(yǎng)護和噴霧養(yǎng)護兩種不同養(yǎng)護方式的養(yǎng)護效果。模型如下圖3.6所示。圖3.6 水化熱分析模型第種配合比：可計算得到混凝土絕熱溫升為67.1，施工環(huán)境溫度、混凝土澆筑溫度均設定為30，m=0.406, 箱梁外露面鋼模板對流系數取14w/m2.t, 箱梁內表面竹膠板模板對流系數取6w/m2

8、.t, 箱梁頂面土工布養(yǎng)護對流系數取3.5w/m2.t, 箱梁頂面土工布（加強灑水后）養(yǎng)護對流系數取10w/m2.t， 自然外露面對流系數取10w/m2.t，噴霧對流系數取30w/m2.t。假設3#節(jié)段澆筑時，2#節(jié)段水化熱已完成，溫度已恢復至正常溫度。3#節(jié)段水化熱分析結果如下圖3.7-3.9所示：圖3.7 自然養(yǎng)護（t=72h，tmax=58.3） 圖3.8 噴霧養(yǎng)護（t=42h，tmax=53.3）圖3.9 混凝土養(yǎng)護溫度變化曲線由以上結果可知：自然養(yǎng)護水化熱效應最高溫度發(fā)生在t=72h，最高溫度tmax=58.3，最高升溫t=58.3-30=28.3；噴霧養(yǎng)護水化熱效應高溫度發(fā)生在t=

9、42h，最高溫度tmax=53.3，最高升溫t=53.3-30=23.3。第種配合比：可計算得到混凝土絕熱溫升為71.0，其余參數均與第種配合相同。假設3#節(jié)段澆筑時，2#節(jié)段水化熱已完成，溫度已恢復至正常溫度。3#節(jié)段水化熱分析結果如下圖3.10-3.12所示：圖3.10 自然養(yǎng)護（t=72h，tmax=60.0） 圖3.11 噴霧養(yǎng)護（t=42h，tmax=54.7）圖3.12 混凝土養(yǎng)護溫度變化曲線由以上結果可知：自然養(yǎng)護水化熱效應高溫度發(fā)生在t=72h，最高溫度tmax=60.0，最高升溫t=60.0-30.0=30.0；噴霧養(yǎng)護水化熱效應高溫度發(fā)生在t=42h，最高溫度tmax=54

10、.7，最高升溫t=54.7-30=24.7。3.2.3 分析結果養(yǎng)護方式影響分析：噴霧養(yǎng)護效果優(yōu)于自然養(yǎng)護，以第種配合比結果為例，養(yǎng)護時最高溫度發(fā)生的時間由72h縮短至42h，最高升溫t由28.3降低至23.3?；炷僚浜媳确治觯旱诜N配合比優(yōu)于第種配合比，從配合比表可以看出，第種配合比水泥含量比第種多，第種配合比最高升溫小于第種配合比最高升溫。建議適當降低水泥含量。養(yǎng)護方式和混凝土配合比均對后期養(yǎng)護溫度影響較大，而溫度應力是施工階段混凝土裂縫產生的重要原因，因此建議對混凝土配合比進一步優(yōu)化，在條件容許的情況下盡量采用噴霧養(yǎng)護。4 裂縫處理裂縫處理方法如下：裂縫寬度0.15mm,采用裂縫修補用膠

11、（注射劑）壓力灌注法進行處理；裂縫寬度0.15mm，采用裂縫修補用膠進行表面封閉處理。建議對本橋產生的裂縫進一步仔細檢查，按照上述兩種方法分別進行處理。5 結語1)本橋施工裂縫主要分布于腹板下彎束及頂板加腋附近，腹板斜裂縫與腹板束下彎束方向基本一致，通過建模分析可知本橋鋼束應力均不超混凝土拉應力設計值ftd=1.89mpa、得知裂縫處腹板不會開裂。但從本項目斜裂縫的分布形狀及方向來看，腹板束徑向應力應是直接原因之一，初步分析其產生的原因為腹板鋼束應力與后續(xù)節(jié)段鋼束張拉及養(yǎng)護方式等因素產生的應力形成了疊加，加劇了裂縫的開展。建議施工鋼束張拉時加強鋼束應力控制，并進行多種施工工藝綜合試驗對比，選擇

12、與施工過程及后期養(yǎng)護相適應的綜合控制方案。2)噴霧養(yǎng)護效果優(yōu)于自然養(yǎng)護，以第種配合比結果為例，養(yǎng)護時最高溫度發(fā)生的時間由72h縮短至42h，最高升溫t由28.3降低至23.3，能較為顯著的降低最高升溫，縮短養(yǎng)護時間，建議綜合對比采取合適的養(yǎng)護方式，在條件容許的情況下盡量采用噴霧養(yǎng)護。3)混凝土配合比分析：水泥含量較低的混凝土后期最高升溫要比水泥含量較高混凝土低，建議綜合對比，適當降低混凝土水泥含量，得到最佳混凝土配合比以利于施工裂縫控制。參考文獻：1賀志勇，趙龍.應用midas進行連續(xù)箱梁橋腹板斜裂縫的分析研究j.中外公路，2011（2）：18-1812隋壤華，王桂堯粉土地區(qū)臺背回填水泥土的優(yōu)化配比試驗研究j中南公路工程，2002，27(4)：65663姜揚劍，李亮亮大跨徑連續(xù)梁腹板下彎束與腹板斜裂縫探討j公路交通技術，2009(5)：90-934周翰斌預應力混凝土連續(xù)箱梁施工階段腹板斜向裂縫探討j施工技術，2007，36(3)：88-915樓莊鴻大跨徑梁式橋的主要病害j公路交通科技，2006，23(4)：84-87張西丁，潘志強. 連續(xù)箱梁橋腹板斜裂縫的技術研究j，城市道橋與防洪，2016（3）：72-756 肖星星，李程華，等預應力混凝土箱粱橋懸臂施工中腹板斜裂