现浇混凝土箱拱腹板早期裂缝分析.pdf

第 3 5卷 ， 第 6期 2 0 1 0年 1 2月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 3 5，No 6 De c ， 20 1 0 现浇混凝 土箱拱腹 板早期裂缝分析 田伸 初 ，彭文 平 ，张恒 ( 1 长沙理工大学 土木与建筑学院 ， 湖南 长沙4 1 0 0 7 6 ； 2 贵州省二级公路管理 中心 ， 贵州 贵阳5 5 0 0 0 4 ) 摘要 两座钢拱架现浇混凝土箱拱腹板冬季施工过程 中， 发现两 桥腹板相 同位置 均出现 多条早期 竖向贯 穿性裂缝 。在腹板早期抗压强度 、 水化 热测试 的基础上 ， 分别进 行腹 板温度收缩理 论计 算和有限元模 型计算 ， 综 合 分析表明早期混凝土 的大 幅降温和收缩作用是引起腹板早期竖 向贯穿裂缝的主要原因 。 关键词】钢拱架 ； 早期裂缝 ；温度应力 ； 收缩应力 ； 后浇带 中图分类号】u 4 4 8 2 1 3 文献标识码】B 文章编号】1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 0 ) 0 6 - 0 0 8 2 - 0 4 An a l y s i s o f e a r l y c r a k e s o n t h e we b s o f c a s t - i n -p l a c e b o x - s ha p e d c o n c r e t e a r c h b r i dg e s TI AN Zh o n g c h u ，P ENG W e n p i n g ，ZHANG He n g ( 1 C h a n g s h a Un i v e r s i t y o f S c i e n c e& T e c h n o l o g y ，S c h o o l o f Ci v i l E n g i n e e r i n g& Ar c h i t e c t u r e ，C h a n g s h a， Hu n a n，41 0 0 76； 22 Hi g h wa y Ma n a g e me n t Ce n t e r i n Gu i Zh o u p r o v i n c e，Gu i y a n g，Gu i z h o u， 5 5 0 0 0 4) Ke y w o r d s s t e e l a r c h ； e a r l y c r a c k s ；t e m p e r a t u r e s t r e s s ；s h r i n k a g e s t r e s s ； l a t e p o u r e d b a n d 研 究表 明 ， 引起 混凝 土开 裂 的原 因分 2类 ， 结构 性 荷载 和非结 构性 荷载 。混凝 土结 构早期 变形 受到 约束， 产生的拉应力超 出该龄期混凝土材料的抗拉 强 度 ， 是 生成早 期 裂 缝 的直 接 原 因。根 据 两 座桥 的 现 场调查 研究 ， 从 裂缝 的发 生 时 间 、 扩 展过 程 、 与 荷 载的关系及施工条件等方 面的原因分析 ， 拱 圈腹板 早期 裂缝 的产 生是 由变形 作用 引起 的 ， 腹板 水化 热 、 环境 温差 、 腹板 人模温 度 、 收缩作 用及 主拱 圈底板 的 变形等都是重要的影响因素。文献 1 ， 2 对一般工 程结 构变形 作用 引起 的裂缝 问题 作 了相关 的理论 和 实例分析 ， 为箱拱腹板早 期裂缝问题 的研究提供了 理论基础。文献 4 ， 5 研究表明升温作用是导致满 堂架现浇施工箱拱腹板裂缝的主要原因。文献 6 ， 7 主要研究 收缩 徐变对分层浇筑叠合截面处应力 影响。本文根据腹板早期抗压强度 、 水化热测试结 果 ， 进行 了腹板温度收缩理论计算和有 限元模型计 算 ， 综合 分析 表 明早 期 混凝 土 的大 幅 降温 和 收 缩 作 用 是引起 腹板 早期 竖 向贯通裂 缝 的主要 原 因。 l 工程概况 两桥均为上承式悬链线混凝土箱形拱 ， 主拱圈 都采 用悬 拼现 浇 的工 艺施 工 。用缆 索 吊装 斜拉 扣挂 的方 法进行 钢 拱架 的施工 ， 拱 架合拢 后 ， 卸除扣 挂 系 统， 在拱架上方铺设模板 ， 分段分层现浇主拱圈。两 桥各项重要参数见表 1 。 表 1 两桥重要参数 2 裂 缝 产 生 过 程 及 分 布 特 点 粪 桥 A拆模后第 2天发现 3条腹板裂缝 ， 分别位 裂缝 ， 多位于 L 4和 L 2附近 ， 主要集 中在泵送浇筑 于下游腹板北岸 L 4和 L 2附近 ， 上游腹板南岸 L 的一侧 。拆模一周 内， 裂缝增至 1 5条后趋于稳定， 收稿 日期】2 0 1 0 0 4 1 3 作者简介】田仲初( 1 9 6 3 一) ， 男 ， 湖南慈利人 ， 博士 ， 教授 ， 研究方 向为桥梁结构分析与工程控制 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 田仲初 ， 等 ： 现浇混凝土箱拱腹板早期裂缝分析 8 3 裂缝 最大 宽度 约 0 3 m m。 对两 桥腹 板 早 期 裂 缝 形 态 ( 见 图 1 ， 图 2 ) 和 分 布规律比对分析， 得到如下裂缝特征 ： 垂直于拱 轴线 ， 呈线性 ， 基本无网状 ； 裂缝宽度上大下小， 大多竖向贯通 ， 底板未出现 ； 多位于 2个拱腰段 和拱顶段 ， 拱脚段没有 ， 对称性强 ； 多位于腹板 浇筑接头处和横隔板和底梁预 留钢筋处； 多集中 于水灰 比大 ， 单位 水 泥用量 多 的区域 。 图 1裂 缝 沿 腹 板 横 向 贯 通 图 2裂缝 沿腹板 竖向贯通 3裂缝原 因分析 按公路桥涵施工技术规范要求 ， 两桥都进行 了 拱 架预压 试 验 ， 拱 架预压 实测 应力 、 变 形均满 足 规范 要 求 。为减小 腹板 浇筑 时 对 拱 架 和底 板 的扰 动 ， 两 桥腹板浇筑时均严格遵从纵向分段 、 纵横 向对称均 横的原则 。为加速模板周转 ， 冬季施工 的两桥腹板 拆模时间都较早。桥 A底板浇筑 2 8 d后 ， 开始中腹 板浇筑， 中腹板一次性浇筑合拢， 形成开 口箱。桥 B 底板 浇筑 1 4 d后 ， 开 始 中 腹 板 浇 筑 ， 中 腹 板 在 L 4 和 3 L 8附近设 置 4个后 浇带 。东 岸采 用斗 吊 ， 水 泥 用量 4 1 0 k g m ； 西 岸 采 用 泵送 ， 水 泥 用 量 4 5 0 k g i n ， 由于操作不 当， 实际水泥用量达 5 1 0 k g m 。 3 1 测试 分析 对两桥腹板浇筑和 日均温差变化过程中的钢拱 架变形， 进行了重点监测。因桥 B在上述工况下变 形作用比桥 A小 ， 故仅列出桥 A拱架关键截 面最大 变形 ， 见表 2 。裂 缝 产 生 后 ， 对 拱 座 进 行 观 测 ， 未 发 现基础变位和不均匀沉降。对现场监测的拱架竖向 位移数据进行分析 ， 表 明拱架和已浇筑底板的变形 对现浇腹板影响较小。 表 2腹板浇筑和温 度作 用拱架 竖向位移 m m 腹板 浇筑 过程 中及裂 缝 产生后 结构 温度 变化情 况 ， 是研究腹板早期裂缝的重要资料。同为冬季施 工 的混凝 土现 浇箱 形 拱 ， 两 桥腹 板 浇 筑 过 程 中 温差 小， 合拢温度都较低。为节省模 板， 两桥拆模都较 早 ， 巧合的是两桥拆模后 ， 均经历 了剧烈 的温度变 化 ， 连续几 天 温差较大。桥 A遭受 的温度变 化最 大 ， 夜间温度 2 o C 3 o C， 日最大 温差 可达 l 8。 桥 A腹板 厚 0 5 m ， 按 文献 1 的理 论 ， 应考 虑腹 板 水 化热 的影 响 。为研 究 腹 板 水 化 热效 应 ， 边 腹 板 浇 筑过程中对腹板 L 4和 L 2处截面内部的水化温度 进行 了测试。温度计埋设在腹板梁高 中间位置， 每 隔两 小 时测 试 一 次 ， 将 测 试 结 果绘 成 图 3 。从 图 3 可知， 腹板浇筑完成后在水化热作用下 ， 随时间的推 移腹板温度不断升高 ， 在腹板浇筑后 3 2 h达到最大 值 3 2 9 o C， 然 后开 始降 温 。腹 板纵 桥 向采用 分段浇 筑 的方式 施工 ， 先 浇 筑拱 脚 段 ， 然 后 浇 筑拱 顶段 ， 最 后浇 筑腰 间段 。如 拆 模 过早 ， 腹 板拱 顶 段 和 腰 间段 内部 温度 刚好 达到最 大 区间 ， 而此 时如遇 低温 环境 ， 则降温作用显著 ， 腹板出现贯穿性裂缝的概率增大。 35 32 5 30 2 7 5 25 赠 2 2 5 2 0 1 7 5 l 5 图 3腹 板 水 化 热 温 度 测 试 对腹板浇筑过程中的混凝土试件 ， 进行 3 d和7 d的抗 压 强 度 试 验 。现 场 试 件 养 生 条 件 与 腹 板 类 似 ， 前期试件养生温度 3 5， 后期温度稍高， 发 现 C 4 0 试件 3 d抗压强度仅为 1 5 7 M P a ， 7 d抗压强 度达 到 2 7 8 MP a ， 3 d抗压 强 度 明显 偏低 。低 温是 导致 混凝 土早 期强 度 增 长 缓 慢 的 主要 原 因 ， 而 混凝 土抗 裂 强度低 是导 致 腹 板 裂缝 的 直接 原 因 ， 因此对 于冬 季低 温施 工 的混凝 土加 强保 温养生 很有 必要 。 工 程 中常 以抗 拉强 度 作 为混 凝 土 的抗 裂 指标 。 在降温和收缩作用下 ， 腹板 内的拉应力超 出该龄期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 公路工程 3 5卷 混凝 土材料 的抗 拉 强度 ， 是 生 成 早 期 裂缝 的直 接 原 因 ， 因此 对腹 板 内应力水 平进 行测 试是 很有必 要 的 。 表 3将 列 出桥 A未 设 后 浇 带 和 桥 B设 置 后 浇 带 时 腹板各关键截面的应力测试结果。两桥腹板测试龄 期均 为 6 d 。 表 3两桥腹板实测应力值 M P a 注 ：桥 B因 设 有 后 浇 带 ， L 4和 L 2处 换 算 应 力 为 其 附 近 截 面 实测值 。 3 2计 算分析 通 过 前 文测 试 分析 ， 初 步 认 定 引起 腹板 早 期 裂 缝 的原 因 主要有 ： 腹板 降温 、 收缩作 用 和拱架 与底板 的不均匀沉降。下面将针对上述 3种作用 ， 分别进 行理论计算和有限元计算 ， 进一步分析腹板早期裂 缝 产生 的原 因 。 3 2 1 理 论计 算 理论公式 。 文献 1 ， 2 认为任何混凝 土结构在浇筑完成后 的温度 变化过 程 中其 温度 分 布是 不 均 匀 的 ， 它 只产 生表面裂缝 ， 平均温差引起的外约束和混凝土的收 缩作 用是 产生 贯穿性 裂缝 的主 要原 因 。因此在进 行 腹板降温收缩应力验算 的时候 ， 沿腹板梁高方 向偏 保守 地取腹 板 中部温度 为全 截 面温度 。收 缩 的机 理 比较 复杂 ， 影 响 收缩 的因素 种类 繁多 ， 往往 随具体 条 件的不 同而差异很大。文献 1 ， 2 中主要应用下列 理论公 式进行 混凝 土结 构 降温收 缩验算 。 混 凝土 收缩值 计算 公式 ： 8 ( t )： M。M2 ， ， M ( 1一e一 ) ( 1 ) 式 中： b经验系数， 一般取 0 0 1 ， 养护较差取 0 0 3 ； 为 标 准 状 态 下 的极 限 收 缩 ， 取 值 3 2 41 0 ； 为考虑各种非标准状态下的修正系数。 弹性模量随龄期变化公式 ： E ( t ) =E 。 ( 1一 e ) ( 2 ) 式 中 ： O t 、 卢为 经 验 系 数 ， 一般 O 取 0 0 9 ， 卢取 1 ； E 。 为根 据混凝 土强 度等级 按规 范取 值 。 收缩变形换算成收缩当量温差公式 ： ( t )= ( f ) ( 3 ) 抗拉强度随龄期变化公式 ： 2 R f ( t )= 0 8尺 内( 1 g t ) 了 ( 4 ) 式 中 ： R 加为 龄期 2 8 d的抗 拉 强 度 ， 计 算 中 遇 有 弯 拉、 偏拉受力状态 ， 考虑低拉应力区对高拉应力区的 约束 作用 ， 应乘 以系数 ：1 7 。 腹板 温度 收缩应 力公 式 ： 式中： JB ： ， C 为 底板对中 腹板的阻力系数； L 为中腹板长度 ； AT 将总降温差分成 n段； 为第 i 段温差 ； E ( t ) 为第段弹性模量。 后 浇带 间距计 算公 式 ： = 2 a re h 式中： 为极限拉伸变形 ； T包含水化热温差 、 气温 差 、 收缩 当量温 差 ， T=T + + 。 理论分析。 理论计算时， 两桥腹板龄期均考虑 6 d ， 忽略徐 变作用。桥 A， 参照图 3腹板水化热测试和环境温 度 监 测结果 ， 腹 板偏 保 守 地 考 虑 1 5 的 降 温作 用 ； 根据公式 1 、 3计算得 到收缩 当量温差 为 7。桥 B， 根 据公 式 1 、 3按 照 不 同的 水 泥 用 量 对 腹 板 两 岸 进行收缩当量温差计算 ， 两岸收缩 当量温差差值为 4 。对腹 板 内主 拉 应 力 的研 究 表 明 ， 主拉 应 力 指 向截面 法 向 ， 而裂 缝 产 生 时 ， 一 般 垂直 于 主拉 应力 ， 因此 裂缝 大多 竖 向垂直 于拱 轴线 。腹 板底 缘受底 板 和拱架共同的约束作用 ， 上缘 自由， 易出现上宽下窄 的裂缝形式。当主拉应力超过同龄期混凝土的抗拉 强度时 ， 在腹板的拱顶位置出现第一条裂缝 ， 裂缝产 生后 ， 应力得到释放 ， 引起腹板应力重分布， 其最 大 值将因腹板长度减半而减小 ， 如其最大值仍然大于 抗拉强度 ， 在腹板 L 4处将产生第二条裂缝 ， 如此依 次递 推直到 最 大主拉 应力小 于等 于抗拉 强度才 趋 于 稳 定 。这是 腹板 开裂 有序 的原 因 。同时 由于混凝 土 抗拉强度的不均匀性和钢筋的约束作用腹板裂缝多 出现在 L 2两侧 ， L 8 、 L 4、 3 L 8处横隔板和底梁预 留钢筋处 。 计算结果。 根据公式 5计算 得 ， 当桥 A不设后浇带时 ， 降 温和收缩作用在腹板 L 2处 中部产生最大拉应力 ， o r a x= 3 2 4 M P a ； 当桥 A不设后浇带时 ， 降温和收 缩作用在腹板 L 2和 L 8处中部产生最大拉应力 ， 其值均为 o r ： 2 5 9 MP a ； 对桥 B， 水泥用量差将 导致两岸腹板 中部的最大拉应力产生的差异。根据 毒 = 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 田仲初 ， 等 ： 现浇混凝土箱拱腹 板早期 裂缝分 析 8 5 公 式 6 ， 对腹 板分 段浇 筑长 度进 行 估算 ， 得 到理 论 最 大浇筑长度 L = 2 0 6 6 I n 。根据公式 3 ， 计算得到 龄期为 6的腹板混凝土抗拉强度 ；= 1 6 2 MP a 。 3 2 2 有 限元计 算 模型计算。 采用桥梁专用 有限元分析软件 MI D A S C i v i l， 对桥 A腹 板 浇筑后 的早 期 应 力 水平 进 行 模 拟计 算 。 建 立包 含拱架 、 底 板 和 中腹 板 的设 置后 浇 带 与不 设 置后浇带的整体模 型( 见图 4 ) 。拱架用梁单元、 底 板用板单元 、 腹板用实体单元进行模拟。底板和拱 架采用单 向受压单元 连接 ， 并释放 单元两端 弯矩 。 拱架 上 弦连接 处用 弹 性 连 接模 拟 ， 用 释放 梁 端 弯 矩 的方 式模 拟下 弦 的铰接 作用 。按 两铰拱 对拱 架边 界 条件进行约束 ， 按无 铰拱对底板和腹 板进行约束。 腹板 在 3 d的基础 上按 不 同的浇 筑顺 序 考 虑各 段 的 龄期 、 混凝土考虑 3 0 d的龄期 和收缩徐变。腹板早 期 水化 热和 日照 引起 的腹板 梯度 主要 引起表 面不规 则裂 缝 ， 本文 在对腹 板早 期贯 穿性 裂缝研 究过 程 中 ， 只考 虑腹 板收 缩平 均温 差和体 系均 温差 的影 响 。模 型对施工过程中的腹板升温 、 降温 、 收缩作用进行了 模拟 ， 计算结果见表 4 。经前 面计算分析 ， 在模 型计 算时设定如下参量 ： 腹板整体升温 1 5、 腹板降温 及收 缩 当量 温差 共 2 2 。分 3种 工 况 进 行有 限元 计算 ， 工况 1 ： 系统升温 1 5 ， 工况 2 ：腹板降温收 缩 2 2 ， 工况 3 ： 综合考虑腹板降温收缩作用和 自 重 效应 的影 响 。 图 4设置后浇带的腹板有限元模型 表 4腹板早期应力与竖 向位移计算值 注 ： 表 中( ) 内为设 置后浇带后相应截面 的应力和位移值 ； 在后浇带模型中 L 4与 3 L 8处取其附近截 面值 。 结果 分析 。 对比各工况下 ， 表 4腹板关键截面应力值知 ， 腹 板混凝土早期的降温和收缩作用引起的腹板主拉应 力值 很大 。腹 板浇 筑 时 ， 一 次 性 浇筑 和设 置 后 浇 带 的方 式 引起 的腹 板 截 面 内力 差 异 很 大 ， 合 理 设 置 后 浇带能有效地减少裂缝。腹板早期升温作用 ， 引起 的截面应力增量较小 ， 表 明升温作用不是腹板早期 开裂 的主 因。对 比设 后浇带 和 未设后 浇带 的浇 筑方 式引起 的竖 向位移值发 现， 设置后浇带引起的腹板 挠度增 量较 小 ， 分 析 表 明 悬 拼现 浇 的混 凝 土箱 形 拱 桥 ， 在施 工 中设置后 浇 带是安 全 的 。 将腹板中部应力实测 、 理论计算 和模型计算值 综合比对发现， 腹板早期 的降温和收缩作用是产生 竖 向贯 穿性 裂 缝 的 主要 原 因 。对 比发 现 腹 板 浇 筑 时， 在 L 4和 3 L 8处设置后浇带 ， 能有效地减小早 期腹板各截面的主拉应 力，腹板 L 4和 3 L 8处效 果 最显 著 ， 但 是腹板 内 L 8和 L 2处应 力仍 较大 ， 此 处截面仍然有开裂风 险。因此 ， 应 根据公式 6和有 限元 模 型 ， 对后 浇带 最大 间距 进行优 化 ， 减小腹 板 内 主拉应力水平 ， 但是设置后浇带时还应兼顾到施工 的方便性 。 综 上 所述 ， 导致 腹 板 早期 贯 穿性 裂 缝 的直 接 原 因是 ， 腹板内主拉应力大于同龄期腹板混凝土的抗 拉强度。腹板水化热测试、 夜间降温观测、 针对水灰 比及水泥用量差异进行 的收缩验算等实例表明， 降 温 和收缩 作用 对早 期腹 板截 面 内主拉应 力增 长贡献 很大。理论计算和有限元分析进一步表明， 腹板早 期大幅的降温和收缩作用是导致桥 A、 B腹板产生 早期 贯穿性 裂缝 的主要原 因 。 4 结论 大幅的降温和收缩作用引起腹板 主拉应力 超 过 同龄期 混凝 土 的抗 拉 强 度 ， 是 导 致 现浇 箱 拱 腹 板 产生 早期 竖 向贯穿 裂缝 的主要 原 因。 环境升温作用对腹板竖向位移影响较大 ， 但 引起的腹板各截面主拉应力增量较小。 腹板浇筑时， 设置后浇带能有效地减小早期 腹板各截面的主拉应力 ， 能降低早期贯穿性裂缝出 现的风险， 同时在此类桥梁施工 中合理设置后浇带 是安 全 的。 ( 下转 第 9 1页 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 唐峰 ， 等 ： 某连续 T梁桥静 载试验 分析 9 1 注 ： 应变符号定义： i Z t (+) 表示拉应变 ， 负值(一) 表示压应变 ； C 5 0混凝土的弹性模量取 E n=3 4 51 0 MP a 。 测试跨结构刚度满足设计活载要求。 析 J 中南 公路工程， 2 0 0 4 ， 2 9 ( 4 ) ： 6 9 7 5 2 3 4 参 考 文献 】 交通部标 准公路 局 大跨径 混凝 土桥 梁的试 验方 法 M ， 北 京 ： 人 民交通出版社 1 9 8 2 交通部标准 公路 旧桥承载 能力鉴定 方法 Mj ， 北京 ： 人 民交 通 出版社 ， 1 9 8 8 周兵 ， 施尚伟 三跨连续 刚构静力试验分 析 J 重庆交通学 院学报 ， 2 0 0 6 ， 2 5 ( 3 ) ： 1 31 7 胡柏学 ， 方明 ， 袁铜森， 等 天子山桁式组合拱 桥荷载试验分 李万恒 ， 沈红军 西塘大 桥主桥静 、 动荷载试验 J 公路交 通 科技 ， 2 0 0 4， 2 1 ( 9 ) ： 6 0 6 3 杨建民 ， 王元汉 ， 毛广湘， 等 益 阳资江三桥静动力荷载试验 分 析 J 湖南城建高等专科学校学报 ， 2 0 0 2 ， 1 1 ( 3 ) ： 2 7 2 9 林俊锋 绥 江大桥的加 固及荷载试 验 J 山西建 筑 ， 2 0 0 7， 2 3 ( 2 7 ) ： 3 2 9 3 3 0 J T G D 6 2 2 0 0 4 ， 公路钢筋混 凝土及预应 力混凝 土桥涵设计规 范 S J T J 0 4 1 2 0 0 0， 公 路桥涵施工技术规范 S ( 上接 第 8 5页) 参 考文献 1 王铁梦 工程结构 裂缝控制 M 北 京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 1 9 9 7 2 朱伯方 大体积混凝土 温度应力 和温度控 制 M 北京 ： 中国 电力出版社 ， 1 9 9 8 3 J T G D 6 22 0 0 4， 公路 钢筋混凝土及 预应力混凝 土桥 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