寒冷地区混凝土箱型梁桥温度裂缝研究.pdf

李 长风等 ： 寒冷地 区混凝 土箱型梁桥温度裂缝研究 3 1 圈 寒冷地区混凝土箱型梁桥温度裂缝研究 李长凤 ， 周莉 ， 徐 晓红 ， 尹晓黎， 杜文学 ( 黑龙江科技大学建筑 3 - 程学院 哈尔滨1 5 0 0 2 2 ) 【 摘要】 通过对北方低温环境的混凝土箱梁裂缝形成机理的分析 ， 研究影响温度裂缝的重要因素温度应 力和温差荷载 ， 并以哈尔滨市松浦大桥的工程为依托 ， 建立相应的有限元模型， 分析降温模式的温差荷载与应力 的关系， 为温度裂缝的防治措施提供依据， 并且对温度裂缝提出了相应的控制措施和修补治理方法， 为寒冷地区 混凝土箱梁桥的设计和施工提供参考。 【 关键词】 混凝土箱梁温度裂缝； 温度应力； 修补治理方法 【 中图分类号】 T U 3 7 5 1 【 文献标识码】 A 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 3 ) 1 0 0 0 3 1 一 o 4 RES EARCH oF THE I EM P ERATURE CRACK ON RED F oRCED BOX G舳ER D CoLD REGI oN LI Ch a n g f e n g， ZHOU L i ，XU Xi a o h o n g， YI N Xi a o l i ，DU W e n x u e ( C o l l e g e o f C i v i l E n g i ， H e i l o n g j i a n g I n s t i t u t e o f S c i e n c e&T e c h ，H a r b i n 1 5 0 0 2 2， C h i n a ) Abs t r a c t ： Ba s e d o n t h e f o r ma t i o n me c h a ni s m a n a l y z i n g o f t h e c r a c k o n r e i n f o r c e d b o x g i r d e r o f l o w t e mpe r a t u r e c o n d i t i o n i n t h e n o r t h o f Chi n a a r e a s ，the the r ma l s t r e s s a nd the t e mp e r a t u r e l o a d a r e s t u d i e d t ha t i s the i mp o rta n t i n flu e n c i n g f a c t o r s o n t h e c r a c k o f t h e bo x g i r d e r I n o r d e r t o a n a l y z e the r e l a t i o n s h i p o f t h e t e mp e r a t u r e l o a d a n d the s t r e s s ，w i th s u p p o f r o m Ha r b i n S o n g p u n o r t h a p p r o a c h b rid g e ，a s i mp l i fie d s c a l e d fin i t e e l e me nt mo d e l i s g i v e nI t i s t o pr o v i d e e v i d e nc e f o r t h e p r e v e nt i o n me a s u r e s a n d t h e r e me d i a l me tho d o f t h e t e mp e r a t u r e c r a c k，a n d t o p r o v i d e r e f e r e n c e f o r t h e d e s i g n a n d c o n s t r u c t i o n o n the r e i n f o r c e d b o x g i r d e r o f the l o w t e mp e r a t u r e a r e a s Ke y wor ds ： t e mp e r a t ur e c r a c k o f r e i n f o r c e d b o x g i r d e r ；the rm a l s t r e s s ；r e me d i a l me t h o d 混凝 土箱 梁 由于 良好 的空 间受力性 能 ， 现在 在桥 梁中及大跨结构中被广泛应用， 但是随之而来的缺点 也就 暴 露 出来 了 ， 如 ： 箱梁 各 截 面受 力 的复杂 性 ， 设 计、 施工、 使用和 日常维护不当等原因， 大量的箱梁在 施工阶段或后期 的使用阶段等都会 出现不同情况的 开裂 ， 产生不 同性质 的裂缝 ， 然 而混凝 土箱梁 开裂后 ， 破坏 了混凝土 的受力 性能 ， 降低 材料 的耐久性 能和 混 凝土箱梁桥结构的承载能力 ， 严重时可能导致结构破 坏 而造成 交 通 事故 。而且 梁 开裂 问题是 一 个 十分 复 杂的问题 ， 目前 国内外关于 箱梁裂缝 已经进行 了不 少 研究 。 ， 取得了一些成果 ， 大部分的研究成果都是基 于规范的统一裂缝检测分析、 计算模式、 参数等研究 ， 而有针对性 对 不 同地 区的裂 缝 的研究 较少 。因此 文 中就北方寒冷地区低温环境箱梁温度裂缝进行研究， 为寒冷地区混凝土箱梁的设计、 施工提供参考依据。 1 低温环境 箱梁桥裂缝产生机理 混凝土箱梁的裂缝， 根据裂缝产生的原因是否与 荷载有关可 以分为荷载裂缝和非荷载裂缝， 资料表 明 ， 在两类 裂 缝 中 以非 荷 载 引起 的裂缝 占主 导。 对裂缝原因的分析是裂缝危害性评定， 裂缝修补和加 固的依据。然而在低温环境下非荷载裂缝主要是收 缩裂缝、 温度裂缝和其他与边界条件、 施工方案不 当 等有关 的裂缝 。 ( 1 ) 收缩 裂 缝 。收缩 裂 缝 主 要原 因是 由于 温 度 、 湿度的变化 ， 使混 凝土产 生 收缩 ， 然 而当温度 降低 引起混凝土收缩变形 ， 钢筋承受压力 ， 阻碍了混凝土 部分的收缩变形 ， 使混凝土承受拉力， 当收缩应力大 于其抗拉强度就会引起开裂。 ( 2 ) 温度裂缝。温度变化引起结构材料产生温 度变形， 如果温度变形受到约束而引起温度应力超高 混凝土 的抗 拉强 度 时 ， 混 凝 土 结 构 就会 产 生 温度 裂 缝。由温度效应产生的温度应力在桥梁的设计和施 基金项 目 黑龙江省教育厅科学技术研究项目( 1 2 5 1 1 4 8 7 ) ； 黑龙江省教育厅科学研究项目( 1 2 5 1 3 0 8 4 ) 3 2 低温建筑技术 2 0 1 3年第 1 0期 ( 总第 1 8 4期 ) 工中是不容忽视的问题。在箱梁桥的施工阶段， 由于 水泥的用量大， 且混凝土强度较高， 水泥水化过程 中 会产生较高的水化热， 使混凝土内部和构件表面温差 过大， 从而产生裂缝。 在箱梁桥正常使用阶段 ， 产生温度裂缝原因有年 温差、 日照温度和骤然降温等方面， 而且在北方寒冷 地区低温环境 中这些因素尤为突出。由温度效应引 起的内力是 比较复杂的。研究温度应力和温差荷载 对控制混凝土结构裂缝非常重要的内容。 2 温度应 力分析及计 算 ( 1 ) 温 度应力 的形 成。温度应 力 不仅 有 外力 、 边界约束作用 ， 还有变温作用。温度应力形成可分成 二个阶段 ， 第一是施工阶段， 自浇筑混凝土开始至混 凝土成型稳定时为止， 这个阶段为早期的混凝土温度 效应 ， 混 凝 土在 浇 筑 过 程 中水 泥进 行 凝 结 硬 化 即水 化 、 放 热在 结 构 内部形 成不断 变化 的温度 荷载 ； 其次 混凝土结构 的搅拌 的水 温、 养 护的方法及 施工条 件等 都能形成混凝 土的温度荷 载 ， 这 几种温度 荷载并 不是 单独作用的， 一般是同时发生相互影响的， 形成混凝 土内部的温度影响的残余应力。第二阶段是混凝土 完全冷却成型以后及使用运营时期季节的交替、 昼夜 变换以及结构物的朝向不同等， 导致箱梁内外侧随外 界环境 影 响较 大 ， 形 成温 度梯度 ， 引起温 度变形 再 加 上约束的影响形成温度应力， 这些应力与前面的残余 应 力相迭加 ， 形成结构总的温度应力 。 ( 2 ) 温度应力的计算。温度应力分为内约束应 力和外约束应力， 内约束应力是指结构 内部某一构件 单元 ， 在非线性温差作用下纤维间温度不同， 引起的 应变不同， 构件单元在受到约束引起的应力。外约束 应力是指结构或体系内部各构件受到外界约束限制， 因温度变 化 不 同而不 能 自由变 形所 产生 的应 力。且 桥 梁结构 属 于三维 的 热传导 问题 ， 分 析非 常复杂 ， 考 虑到桥梁结构是一个狭长的结构物， 又忽略某些局部 区域三维传导性质， 因此在进行分析时通常假定 ： 桥梁沿长度方向温度变化一致 ； 温度场简化为沿桥 梁横 向或 沿桥 梁竖 向的温 度梯度型式 ； 温度梯 度是 非线性变化的。综合考虑温度内约束应力和温度外 约束应力可以得到梁内的总温度应力计算公式 ： M ：E ( Y ) 一( 0 + ) j + ly ( 1 ) 式中， E为材料的弹性模量； 为材料的线膨胀系 数 ； ( ) ， ) 为温度梯度 ； y为截 面竖 向位置任意一点 的坐 标 ； s 。 为沿梁 Y= 0处的变形值； 为单元梁段挠曲变 形后的曲率； 为温度次力矩； ， 为截面的惯性矩。 ( 3 ) 低 温环境的温度梯度模式 。在文献 8 中， 仿照很多国内的学者用指数函数来拟合过正温度梯 度曲线的方法， 并且通过大量的分析测试结果研究推 导提出的负温差分布可以近似用一个指数函数来拟 合其温度变化规律 ： T =一r o e ( 2 ) 式中， 为计算点的温差值； r o 为箱梁截面梁高 方向的最大温差 ； y为表示距 离梁顶 面的高度 ； o为参 数， 与箱梁顶板的平均厚度有关， 即 o=一2 3 9 t + 4 8 8 ， t 为箱梁顶板的平均厚度 。 3裂缝分析 3 1 有限元模型的建立 以哈尔滨松浦大桥箱梁为背景， 选取北引桥边跨 箱梁( 4 5 m) 半幅桥面， 用 A N S Y S进行模拟分析。建模 尺寸按一端固定一端简支简化的单跨 1 1 0缩尺模型， 缩尺模 型截 面尺寸见 图 1 。b l = 3 5 c m， b 2 = 4 9 c m， t 1 =t 2 = 3 6 c m， t 3=4 c m， t =4 c m， h=2 3 c m， 梁 跨 度 取 4 5 0 c m， 跨 径 比为 1 3 3 。建 模 时 采 用 S H E L L 9 1壳 单 元。箱梁有 限元模型及 网格划分见图 2 。 图1 箱梁截面尺寸 图2 箱梁有限单元模型 3 2温差工况分析 大量研究表 明， 日照 与骤然 降温引起 的结 构温度 变化对混凝 土结 构 的影 响 比长期缓 慢 的年气 温荷 载 要大 的多 ， 且 年温 度变化 在 工程设计 中早 已考虑 ， 这 里主要针对寒冷地区降温模式研究箱梁温度效应， 分 析时选取非结构荷载因素工况。综合哈尔滨温度变 化规律 ， 考虑降温温差荷载进行分析 ， 具体工况如下 ： 降温温差荷载工况 ： 5 、 1 0 、 l 5 、 2 0 、 2 5 、 3 0 。 材料物理特性： 密度为 2 5 0 0 k g m 3 ， 比热为 9 1 2 J k g ， 热传导系数为2 8 5 W 1 1 1 2 - ， 弹性模量为3 4 5 1 0 M P a ， 泊松 比为 0 1 6 6 ， 线膨胀系数 1 1 1 0 一。 李长风等 ： 寒冷地 区混凝 土箱型梁桥温度裂缝研究 3 3 3 3 温 差和应力 因日照和骤然降温引起 的温度变化是短期的， 会 导致箱梁温度内侧大于外侧， 又由于约束 的影响， 导 致局部和整体拉应力较大 出现温度裂缝。且温度应 力常造成跨中和支座处发生裂缝， 取靠近箱梁跨中截 面顶板、 底板 、 腹板最大应力数值建立不 同温差下应 力和温差的关系曲线。应力一 温差曲线如图3所示。 日温差， 图3 应力一 温差曲线 由图 3分 析可知 ， 随着温差变化的逐渐增大 ， 箱梁 的温度应力变化也是不断增长， 而且超过 1 0 呈现迅 速增 长的趋 势 ， 1 0 以下 为线 性变 化 ， 超 过 1 0 呈 现 非线性， 总体为非线性关系。从 图可以看出顶板与底 板的变化 幅度 较 大 ， 腹 板 变化 幅度 相 对较 小 。因此 ， 温差荷载引起的温度应力是不可忽视， 在与其他不利 荷载组合之后将决定设计的经济性和安全性。 3 4温度裂 缝控制措施 通过上述分析可知， 降温会在箱梁结构各部位引 起较大内力变化， 且不可避免， 温差荷载对温度应力 的影响是非常明显的， 若在设计、 施工、 使用过程 中考 虑不当， 温度应力会造成支座和跨 中截面附近处的裂 缝 。然而减 少甚 至 避免 温 度裂 缝 的最好 措 施是 控制 温度应力 ， 且其形成 源 于设 计并 发生在施 工及 使用两 过程 ， 因而 防治措 施也要 从此 两个方 面去 考虑 。结合 我国 公路桥涵施工技术规范 及研究资料 ， 这 里提出低温环境下的裂缝控制措施。 ( 1 ) 从设计角度来控制。温度的裂缝可以通 过增 配构 造 钢筋 提 高混 凝 土箱 梁桥 的抗裂 性 。对 薄 壁结构、 超长结构 通过采用预应力解决裂缝问题 ， 使 混凝土中拉应力不出现或将其限制在最小的范围内， 而且通 过配置 预应 力 钢筋 可 以对 桥梁 结构 伸 缩缝 的 设计进行调整， 扩大伸缩缝间距或取消伸缩缝。配置 足够的温度应力钢筋防止裂缝的产生； 设计 时对截 面进行必要的应力验算 ， 并且在验算截面附近布置一 定数量的非预应力钢筋 ， 使温度应力分布均匀， 控制 温度应力裂缝的产生 ； 在设计中设置合理的桥面伸 缩缝、 支座位移及防治基础过大的起伏的构造措施来 减少约束变形， 限制裂缝产生； 选择合格的原料并且 优化其配合比， 优先选用硅酸盐水泥、 普通硅酸盐水 泥或者使用低水化热的水泥， 减少裂缝。采用各类行 之有效的混凝土掺合料， 适当的添加引气剂、 减水剂 等外用剂 ， 提高混凝土的抗冻性 。 ( 2 ) 从施工方 面来 控制。混凝 土温度应 力主要 与混凝土性质、 施工工艺、 养护条件有关。因此浇筑 前应认真研究改进施工工艺， 合理安排施工工序， 对 结构用材进行试验分析， 以便改善混凝土的性能， 提 高其抗拉强度。浇筑后及时养护。大量实践表明， 混 凝土裂缝 ， 大多数是不同深度的表面裂缝， 其主要原 因是温度梯度造成寒冷地区的温度骤然降低形成裂 缝。所以保温对混凝土箱梁桥施工 中表明裂缝是非 常重要的。从控制温度应力角度出发 ， 保温应考虑以 下几方面： 控制混凝土的入模温度， 选择合理可行 的施工 工艺 ， 施工 方法 在夏季 采用 降温 法施 工 ； 冬 季 采用保温法施工， 采用分层分段浇筑法 ， 分层振捣密 实， 使混凝土的水化热尽快散失， 防止温度应力产生， 尽 量避免初期裂缝 ； 减小模 板对混凝 土 变形 的约束 作用。混凝土浇注初期保证模板与混凝土接触表面 抹油 ， 减小模板对混凝土的约束， 使得温度作用引起 的变形 自由发生， 避免混凝土箱梁桥表面产生裂缝 ； 养护过程中保持合适的温、 湿条件。夏天在浇筑混 凝土后采用冰水养护及覆盖材料养护 ， 冬天优先选用 电气加热法、 蒸汽加热法等养护 ； 严格控制混凝土 结构拆模时间。拆模时混凝土内外温差不能太大； 控制原材料 的质量 ， 使各种材料均符合有关技术规 范、 规程的要求 ； 做好施工过程中混凝土箱梁桥的 测温工作 ， 控制其 内部与表面温度，使混凝土箱梁桥 的表面温度与环境温度之差不应超过 2 5 C， 减少温度 应力 ； 充分做好混凝 土箱梁桥施 工之前 的准备工 作 ， 包括施工工序、外界气候 等因素的变化等。 ( 3 ) 使用阶段裂缝控制。在使用运营阶段， 要 注意桥梁的使用条件定期维护与健康监测， 并且按照 桥梁的设计标准合理使用， 并严格控制超载， 同时这 也需要政府有关部门的监督和控制 ， 做到合理使用， 提高结构的耐久性。 3 5 裂缝修补方法 ( 1 ) 表面封 闭法 ： 对 于宽度 不大 于 0 2 m m表面 的细 微裂 缝 ， 采 用 防水 涂 料进行 表 面涂 抹处理 ， 达 到 封闭裂缝和防水作用。 ( 2 ) 箱梁桥结构开槽填充法： 当裂缝在 0 3 m m 左右 ， 可采用环氧树脂等材料进行填充裂缝 ， 当宽度 小 于 0 3 m m 时 ， 以及 小 规 模 裂 缝 ， 可 采 取 开 “ V” 或 “ U ” 型槽 ， 填充 处理。 ( 3 ) 箱梁桥结构灌浆法 ： 缝宽 0 3 m m以上的要 求进行灌浆修复， 可采用压力注浆， 使裂缝充满牢固。 2 6 2 8 4 O l 1 O O B d 芝 峨 低温建筑技术 2 0 1 3年第 l O期 ( 总第 1 8 4期 ) 节点 刚度对 网壳结构极 限承载 能力 的影响 李剑 ( 同济大学建筑工程系 上海2 0 0 0 9 2 ) 【 摘要l 利用通用有限元软件 A N S Y S ， 对同一网壳的节点赋予不同的平面外抗弯刚度值， 采取与规范规定 类似的计算方法， 计算网壳的极限承载力， 并把节点刚度与杆件的线刚度进行比较， 并加以总结， 得出一般性规 律， 对揭示网壳结构的破坏机理具有一定的意义。 【 关键词】 单层网壳； 节点； 刚度 【 中图分类号】 T U 3 3 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 3 ) 1 0 0 0 3 4 0 3 T HE EF F ECT oF J Ol NTS S T NES S oN THE ULT TE BE AR G CAPACI TY OF T HE S GL E LAYER L ATTI CE S HEL LS L I J i a n ( D e p a r t m e n t o f B u i l d i n g E n g i ， T o n i U n i v ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： I n t h i s p a p e r ， w i th t h e g e n e r a l fi n i t e e l e m e n t s o f t w a r e A N S Y S ， i t g i v e s t h e j o i n t s d i ff e r e n t l e v e l s o f o u t p l a n e s t i f f ne s s v a l u e s i n the s a me l a t ti c e s h e l l s a nd c o mp ut e s the u l t i ma t e be a rin g c a p a c i t y i n t h e w a y o f r u l e s B y c o mp a ri n g t h e j o i n t s s t i ff n e s s t o t h e c o mp o n e n t s s t i f f n e s s ，i t t ri e s t o s u mm a ri z e a n d dr a w a g e n e r a l ru l e，wh i c h h a s c e r t a i n s i g n i fic a n c e t o k n o wi n g the f a i l u r e mo d e s o f t h e s i ng l e l a y e r l a t t i c e s he l l s Ke y wo r d s ： s i n g l e l a y e r l a t t i c e s h e l l s ； j o i n t s ；s ti f f n e s s 网壳是建筑结构中的一个重要类型， 其跨度大， 自重轻 ， 已经被结构工程界所认同。但是 ， 网壳的极 限承载能力的计算方法却相对落后 ： 从 1 9 8 9年开始， 绝大多数建筑结构规范均开始采用以可靠度理论为 ( 4 ) 箱梁桥结构补强法 ： 主要 有断面补 强法、 锚 固补强法 、 加预应力钢筋补强等。 ( 5 ) 箱梁 桥结 构混 凝土置 换法 ： 将坏 的混凝 土 取出， 然后置换成新 的混凝土或其他材料， 这种方法 对破坏严重 的混凝土箱梁桥结构是一种有效方法。 4结语 基 于箱梁 在低 温环 境非 荷 载裂 缝 的产生 机理 分 析 ， 确 定温度裂 缝 的主要 影 响 因素。为 裂缝 的分析 、 控制及加固提供理论依据； 选定合理的低温环境下温 差荷载模式研究温度应力的计算方法 ， 以哈尔滨松浦 大桥简化的缩尺模型为依托进行箱梁裂缝的有限元 分析 ， 明确了箱梁顶 板、 顶板 、 腹 板在 降温模式 温差荷 载与温度应力的变化规律， 进而对温度裂缝提出了相 应的控制措施和补救办法。 参考 文献 1 曹兴松 普通钢筋混凝土连续箱梁裂缝检测分析与处治研究 J 公路 交通科技 ， 2 0 0 4， 2 1 ( 3 ) ： 5 1 5 5 2 袁太平， 朱忠民 箱型截面预应力混凝土梁桥裂缝的处治与加 固 J 中南公路工程 ， 2 0 0 1 ， ( 3 ) ： 4 9 3 曾庆响， 韩大建 预应力混凝土箱梁桥的裂缝防治研究现状 J 工程力学 ， 2 0 1 0， 2 7 ( I ) ： 1 8 41 8 8 4 万红燕 ， 叶见 曙， 钱培书 ， 郭忆 钢筋混凝土连续箱梁裂缝 原因 的分析及研究 J 华东公路。 2 0 0 4 ， ( 3 ) ： 2 8 3 0 5 袁明虎 ，史建朋 ， 张同舟 混凝 土箱粱早期温度裂缝 的影 响因 素 J 四川建筑科学研究 ， 2 0 1 2， 3 8 ( 2 )： 1 0 11 04 6 张 方 大 型 混 凝土 箱 梁 裂 缝 研究 D 成 都 ： 西 南 交通 大 学 ， 2 0 04 7 范立础 桥梁工程 M 北京： 人民交通出版社， 1 9 9 6 ： 3 0 0 8 李长凤 ， 王 岚 ， 赵延林 ，杜秋楠 寒冷地 区混凝 土箱 梁温度 作 用影响研究 J 黑龙 江科技学院学报 ， 2 0 1 3 ， 2 3 ( 2 ) ： 1 6 7 9 J T G T F 5 0 2 0 1 1 ， 公路桥涵施工技术规范 s 1 O 袁铜森 预应力混凝土连续箱梁桥裂缝成因分析与维修加固 D 长沙 ： 湖南大学 ， 2 0 o 6 收稿 日期 2 0 1 3 0 61 4 作者简介 李长凤( 1 9 7 5 一) ， 女， 黑龙江拜泉人， 副教授， 硕 士， 研究方 向： 土木工程结构理论 。