中美规范下大跨径梁桥混凝土结合面收缩效应比较.pdf

第 3 1 卷 第 5期 2 0 0 9年 1 O月 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 J o u r n a l o f Ci v i l ．Ar c h i t e c t u r a l& En v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g Vo 1 ． 3 1 N o ． 5 0c t ．2 OO 9 中美规范下大跨径梁桥混凝土结合面收缩效应比较 李小祥 ， 石 雪飞 ， 阮 欣 ， 冯 电视 ( 同济大学 桥 梁工程 系， 上海 2 0 0 0 9 2 ) 摘 要 ： 基 于 中国和 美 国规 范 ， 研 究 了因混凝土龄期 不 同而带 来的收 缩特 性 差异 对大跨 径连 续 刚构 桥 典 型结合 面部位 混凝 土应 力分 布 的影 响 ， 并 分析 了 2种规 范 下计 算 结 果存 在 较 大 差异 的 原 因。 结果表 明 ： 对于厚度 大 的混凝土 构件 ， AAS HT O 规 范 的收 缩效 应计 算 结果 更加 合 理 。 当浇筑 时 间 间隔较 长时 ， 结合 面部位 混凝土 极 易开 裂 。而依 据 J TGD 6 2 —2 0 0 4规 范 ， 混 凝 土不 同浇筑 时 间 间 隔下 ， 结合 面的应 力始终 较 小 ， 而截 面 突变位 置 的应 力相 对 更为 明显 。有 必要 对 J T GD 6 2 — 2 0 0 4 中理 论厚度 规定 一上 限， 建议 h ≤3 0 0 n -i n。还提 出 了一些避 免此 类裂缝 的设计 和施工 对策 。 关键 词 ： 大跨 径 连续 刚构桥 ； 有 限元 ； 混凝 土结合 面 ； 收缩 ； 浇筑 时间 间隔； 规 范 中图分类 号 ： U4 4 8 ． 2 3 文 献标志码 ： A 文章 编号 ： 1 6 7 4 4 7 6 4 ( 2 0 0 9 ) 0 5 — 0 0 8 6 — 0 4 Co mp a r i s o n o n S h r i n k a g e Ef f e c t s a t Co n c r e t e I n t e r f a c e s i n Lo ng - S pa n Gi r d e r Br i d g e s b e t we e n Ch i ne s e a n d Ame r i c a n Co d e s LI Xi a o — x i a n g， SHI Xu e — f ei ，RUAN Xi n，F ENG Di a n — s h i ( De p t ．o f Br i d g e En g i n e e r i n g ，To n g j i Un i v ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ，P ．R．Ch i n a ) Ab s t r a c t ：St r e s s，du e t o s hr i n ka g e c h a r a c t e r i s t i c d i f f e r e nc e r e s u l t i n g f r o m di f f e r e nt c o n c r e t e a ge a t t y pi c a l i n t e r f a c e p a r t s i n l o ng s p a n r i g i d f r a me br i dg e s ， wa s a na l y z e d ba s e d on Chi n e s e a n d Ame r i c a n c o d e s ． Re a s o ns f o r l a r ge d i s c r e pa n c y b e t we e n r e s ul t s und e r t h e t wo c o d e s we r e a l s o d i s c us s e d ． I t wa s s h o wn t h a t s h r i n k a g e s t r e s s l e v e 1 c a l c u l a t e d u n d e r AAS HTO wa s mo r e r e a s o n a b l e t h a n t h a t u n d e r Ch i n e s e c o d e( J TGD 6 2— 2 0 0 4)f or c onc r e t e me mbe r s wi t h l a r g e t hi c kn e s s ． Con c r e t e a t i nt e r f a c e pa r t s wa s e a s y t o c r a c k wh e n c a s t i n g t i me i n t e r v a l wa s l o n g ．Ac c o r d i n g t o J TGD 6 2 — 2 0 0 4，s t r e s s a t i n t e r f a c e s wa s a l wa y s s ma l l u n d e r d i f f e r e nt c a s t i ng t i me i nt e r v a l s，whi l e s t r e s s a t p os i t i o n wi t h m u t a t i o n s e c t i o n wa s mo r e s i gn i f i c a n t ．I t wa s n e c e s s a r y t o s e t a n u p p e r l i mi t t o t h e o r e t i c a l t h i c k n e s s i n J TGD 6 2 2 0 0 4，a n d 3 0 0 mm wa s r e c o mme n d e d ． Fi na l l y，s o m e de s i gn a n d c on s t r u c t i o n a ppr oa c he s we r e pu t f o r wa r d ． Ke y wo r d s ： PC r i gi d f r a m e br i d ge ； f i n i t e e l e me n t me t h o d； c o n c r e t e i n t e r f a c e ； s hr i n ka ge ； c a s t i n g t i me i nt e r v a 1 ；c o de s 随着 设计 施 工水 平 的不 断 提 升 ， 连续 刚构 桥 正 朝着高墩、 大跨 的趋势发展 ， 墩身、 主梁节段混凝土 浇筑往往 采用 分 段 、 分层 的方 式 进行 。由 于浇 筑 混 凝土龄 期不 同 ， 在 混凝 土 结 合 面处 就 会 出 现后 浇 混 凝 土 的收缩变 形受到 先浇混凝 土 的约束 作用 而导 致 后浇混凝 土产 生拉应 力 。如果该拉 应力 超过 了混 凝 土的实时抗拉强度 ， 就会造成后浇混凝土的开裂 ， 对 箱梁局 部 受 力 以及 桥 梁 结 构 耐 久 性 产 生 影 响 。此 外 ， 旧桥加 固 、 拓宽 改建工 程 中也 出现 了许 多新 旧混 凝土结合面位置的开裂现象， 甚至出现 了加固完成 收 稿 日期 ： 2 0 0 9 — 0 5 — 1 5 基金项目： 国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 专题课题( 2 0 0 7 AA1 1 Z 1 0 3 ) 作者 简介： 李小祥( 1 9 8 1 一 ) ， 男 ， 博士研究生 ， 主要从事大跨径桥梁施工控制及结构分析， ( E - ma i l ) t j l i x i a o x i a n g @g m a i l ． c o rn。 石雪 飞( 联系人 ) ， 男 ， 教授 ， 博士生导师 ， ( E — ma i l ) s h i x f @ma i l ． f o n g j i ． e d u ． c n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 8 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第 3 1 卷 号块 、 主梁节段和桥墩墩身的整体应力水平都不高， 大部 分 区域 主拉 应 力 在 1 MP a以 内 。这 主要 是 由 于背 景工程 连续 刚构桥跨 径较大 ， 箱体 厚 度大 ， 收缩 效应 相应 较小 ， 这 可 以从 J T GD 6 2 —2 0 0 4规范 中收 缩 随时 问发 展 的系数取值 中得 以体现 。 3 ． 2 结 合面局 部收缩效 应 对结合面部位混凝土的收缩效应分析表明： 在 零号块上下分层处 、 节段之间分段处等部位， 结合面 混凝 土应力 水平 略高于 整体应力 。而对 于存在 明显 截 面突变 的结合 面位置 ， 如桥墩 与承 台连 接部 位 ， 结 合面混 凝土应 力 水平 相 对较 为显 著 ， 主 拉应 力 最 大 值达 2 ． 4 MP a 。可见 ， 混凝土浇筑不同步引起 的收 缩特性 差异对 结 合 面部 位应 力 影 响 较小 ， 而截 面 突 变 的影 响相对更 为 明显 。 3 ． 3浇筑 时间间 隔对结 合面收缩 效应 的影响 为了研究 浇筑 时间间 隔对混凝 土结 合 面收缩 效 应的影响， 分别对 3个典型结合面部位在不同浇筑 时 间间隔下 的收缩应 力变 化规律 进行 分析 。 限于篇 幅 ， 且各 典 型部 位 的影响规 律基本 类似 ， 该 文仅 以主 梁零 号块上 下分层 处为例 加 以说 明 。 图 5比较 了不同时 间间隔下 结合 面部 位混 凝土 的最大应 力 。由 图可 知 ， 随着 分 层 浇 筑 时 间 间隔 的 增加 ， 收缩 作用产 生 的结 合面混 凝 土应力 增 幅不 大 ： 对 比时 间间隔 为 3 d和 9 O d 2种工 况 ， 主梁零 号块 上 下分层处 混凝 土主拉应 力增 加仅为 1 0 。 嚏 Ⅱ r 干 下’ 一 — 一横桥向应力 +J 『 I 价 I l ； l J —．‘ - ． 喏 瓠南 n 十主拉应力 0 2 0 4 0 6 0 g 0 1 0 0 分层浇筑时间间隔／ d 图 5不 l 司时 间 I司隔 下收 缩 应 力 比较 这进一步说明， 依据 J T GD 6 2 —2 0 0 4规范， 混 凝土不同浇筑时问间隔对结合面的应力影响较小 。 这 一结果 很难解 释实 际工程 中在龄 期差 异较 大 的混 凝土结合面位置常出现裂缝 的现象， 有必要对 中国 规范相关规定的合理性进行探讨。 4 不同规范下结合面收缩效应 的比较 基于 以上分析 ， 该 文将 中国 和美 国规 范 下结 合 面混凝 土 的收缩应 力状态 进行 了 比较 。图 6为 在不 同分 层浇筑 时 问间隔时 2种规 范下桥 墩 与承 台结合 面 位置最 大主拉应 力 比较 图。 嚏 Ⅱ Ⅱ 1 二 = = = A⋯ S H ⋯T O ／ + A ／ 一 ， ／ ／ ／ ／ —■ 0 2 0 4 { 1 6 0 8 1 ／ I I x 】 分层浇筑时间间隔， l 图 6桥墩与承台结合面最大主拉应力比较 由图可 见 ， 采用 AAS HT O 规 范计 算 时 ， 随 着分 层浇 筑时 间问 隔 的增加 ， 结 合 面 混凝 土 应 力持 续 迅 速增 长 ， 极 易达 到 开裂 容许 应 力 。而采 用 J TG D 6 2 — 2 0 0 4规范则增 幅很 小 。通 过 对式 ( 2 ) 、 式 ( 3 ) 中相 关参 数 的分 析 表 明 ： 2种 规范 下 计 算 结 果 出 现较 大 差异 的原 因主要 与尺寸 系数及 构件理 论厚 度 的规定 不同有关。AAS HTO 中规定体表 比 v ／ s 取值 不超 过 1 5 0 mm， 相 当于 J T GD 6 2 — 2 0 0 4中构件 理 论厚 度 取为 3 0 0 mm。而在 大 跨 径连 续 刚 构桥 结合 面 混 凝 土 收缩效应 分析 中 ， 当采用 J T GD 6 2 —2 0 0 4规 范 计 算 时 ， 构件 理论厚 度 ( h 一2 A／ u ) 取 值要 远远 高 于 3 0 0 mm。图 7比较 了 2种规 范 下理 论 厚 度取 值 对 收缩效应计算结果的影 响。由图可 以看出， 当混凝 土构 件的厚 度 较 小 时 ， 2种 规 范 的 计 算结 果 相 对 比 较接 近 。当 厚 度 较 大 时 ， AA S HTO 认 为 收 缩 不 再 随厚 度 的增 加 而 减 小 ， 而 按 J TG D 6 2 — 2 0 0 4计 算 时 ， 收缩则 随厚度 的增加 一直减 小 ， 这 就造 成 2种规 范下 计算结 果 的差 异 随构 件 厚 度 的增 大 越来 越 大 。 因此 ， 对 于厚 度 较 大 的混 凝 土 构 件 ， 按 J TG D 6 2 — 2 0 0 4 计 算 的结果将 偏 于不 安 全 。笔 者 认 为 ， 有 必 要 对 J T GD 6 2 —2 0 0 4中理论 厚 度 h的取 值规 定 一 上 限 ， 建议 规定 矗 ≤ 3 0 0 mm。 b 嫖 ～～ ： 、 l 、 、 ＼ 、 ． ． ＼ ＼ ～～ ＼ ． 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 O 1() ( ) 0 理论厚度／ ii l ln 图 7 不同规范下理论厚度一 收缩应变关 系比较 7 6 5 4 3 2 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 期 李小祥 ， 等 ： 中关规 范下 大跨 径 梁桥 混凝土 结合 面收缩 效应 比较 8 9 5 结 论 针对 大跨 径连续 刚构桥 ， 在 采用 分段 、 分层 浇 筑 施工 时 的结合 面 收缩 效应 进 行 了研 究 ， 并 对 规 范取 值 问题进行 了探 讨 。通 过研究 主要 得 出如下结 论 ： 1 ) 对 于大跨径 连续 刚构桥 ， 箱 体厚 度较 大 ， 按照 J TG D 6 2 —2 0 0 4规 范算得 的结合 面部位 混凝 土 的应 力水 平较小 ， 而截 面突变 的影 响较 为明显 。 2 ) 按照 AAS HT 0规 范计 算得 到 的结 合 面混 凝 土应力 水 平要 明显 高于 J T GD 6 2 —2 0 0 4 ， 这 主要 是 因为 2种规范 对构件 理论厚 度取 值 的不 同规 定 。对 于厚度很 大 的混 凝土 构件 ， 按 J T GD 6 2 —2 0 0 4计 算 的结果将 偏于 不安全 。笔者认 为有必要 对 J TG D 6 2 — 2 0 0 4中理论厚度取值 的规定加 以修正 ， 建议规定 ≤ 3 0 0 H i m。 3 ) 在设 计 和施 工 中 ， 对 于 分 层 、 分 段 浇 注 混 凝 土 ， 应 尽量缩 短前后 浇筑 时间 间隔 ， 并 加 强结 合 面部 位 的钢筋构 造 。在施 工 允 许 的情 况 下 ， 将 截 面突 变 位置 与混凝 土分 层 浇筑 位 置 错 开 ， 从 而 减小 结 合 面 收缩应 力 。 4 ) 通过 加强 对先 浇 混 凝 土 的养 护 ， 延 滞 其 收 缩 进 程或减 小其 收 缩量 ， 从 而减 小先 后浇 洼 混 凝 土 的 收缩特性 差异 ， 达到 降低结 合 面收缩效 应 的 目的 。 参 考文献 ： [1 ]林宝珠．大跨径连续箱 梁加 固新浇混 凝土 裂缝原 因及 控制[ J ] ．重庆建筑大学学报 ，2 0 0 6 ， 2 8 ( 5 ) ： 6 3 6 5 ， 8 2 ． I I N BA( ) - ZHU． Cau s e a n a l y s i s a n d t r e a t me nt me a s u r e o n c r a c ks i n ne w r e i nf o r c e d c on c r e t e r e s t r i c t e d by ol d we b c o n c r e t e[ J ] ． J o u r n a l o f C h o n g q i n g J i a n z h u Uni ve r s i t y，2 00 6，2 8( 5)：6 3 — 65， 8 2． [ 2] 孙衍福 ， 郭治胜 ，吴大宏．大体积混凝土桥墩裂缝分析 整 治 及 建 议 E J ] ．铁 道工 程学 报 ， 2 0 0 6 ( 5 ) ： 6 7 — 6 9 1 1 2 ． S UN YAN- F U ，GUO ZHI — S HENG，W U DA— HONG． Th e r e a s o n a n a l y s i s o f t h e ma s s c o n c r e t e P i e r ’ s c r a c k a n d ma i n t a i n me a s u r e s a n d s u g g e s t i o n s [ J ] ．J o u r n a l o f Ra i l way En gi ne e r i n g So c i e t y， 2 00 6( 5)： 6 7 — 6 9， 11 2 ． [3 ]刘三元 ， 曹 阳， 王波 ，等．薄壁墩混凝 土水化热及 收缩 徐变分 析E J ]． 世界桥梁 2 0 0 6 ( 3 ) ： 4 2 — 4 4 ． L I U S AN— YUAN，CA0 YANG，W ANG B 0，e t a L Ana l ys i s o f c o nc r e t e hy d r a t i on he a t ， s hr i n ka ge a nd c r e e p o f t h i n — wa l l p i e r s [ J ] ．wo r l d B r i d g e s ， 2 0 0 6 ( 3 ) ： 42 — 44 [ 4]李建斌 ， 石现峰．预应 力混凝 土连 续梁 桥 的收缩徐 变 分析[ J ] ．石家庄铁道学 院学报 ， 2 0 0 3 ，1 6 ( 2 ) ： 1 5 — 1 8 ． I I J I AN— B I N，SHI XI AN— F ENG．S h r i n k a g e a n d c r e e p a n a l y s i s o f c o n t i n o u s p r e s t r e s s e d c o n c r e t e b r i d g e [ J ] ． J o u r n a l o f S h ij i a z h u a n g Ra i l wa y I n s t i t u t e ， 2 0 0 3，1 6 ( 2 ) ： 1 5 1 8 ． [ 5]王文炜 ， 翁昌年 ， 杨 威．新 老混凝 土组 合粱混 凝土收缩 徐变试验研究[ J ] ．东南大学学报 ：自然科 学版 ，2 0 0 8 ， 38( 3)： 5 05 — 51 0． W ANG W EN— W EI ， W ENG CHANG— NI AN ， YANG W EI ．Ex pe r i me nt a l s t u dy o n c r e e p a n d s hr i n ka ge o f o l d a n d n e w c o n c r e t e c o mp o s i t e b e a ms [ J ] ．D o n g n a n D a x u e Xue b a o， 2 00 8， 38( 3 )： 5 05 — 51 0 ． r 6]S HI XUE— F EI ，I I XI A0一 XI ANG，RUAN XI N， e t a 1 ． Ana l y s i s of s t r uc t u r a l be h a vi ou r i n wi d e ne d c o nc r e t e b o x g i r d e r b r i d g e s[ J ] ． S t r u c t E n g I n t J I n t A s s o c Br i d ge St r uc t Eng．，20 08， 1 8( 4)： 35 1 — 35 5． r 7]W OI LMANN，GRE GOR P，ANDERS ( ) N，ROB ERT B， R0BERTS — W 0LI M ANN， CARI N I ． Cr e e p a nd s hr i n ka ge e f f e c t s i n s p l i c e d pr e s t r e s s e d c o nc r e t e g i r d e r b r i d g e s [ J ] ．P C I J o u r n a l ， 2 0 0 3 ， 4 8 ( 6 ) ： 9 2 1 0 5 ． r 8]S AA DE GHVAZ I R I ，M AL A，HAD I D I ，R AMB OD ． Tr a n s v e r s e c r a c k i n g o f c o n c r e t e b r i d g e d e c k s ：E f f e c t s o f d e s i g n f a c t o r s [ J ] ．J B r i d g e E n g ． ，2 0 0 5 ， 1 0 ( 5 ) ： 5 1 1 — 51 9 ． [9 ]T ANG F AN G — F u．O v e r l a y f o r c o n c r e t e s e g me n t a l b o x - g i r d e r b r i d g e s [ J ] ．J B r i d g e E n g ， 2 0 0 0 ， 5 ( 4 ) ： 3 1 1 3 2 1 ． r 1 O ] KW AK，HYO— GYOUNG， S EO， YOUNG— J AE ． Nume r i c a l a na l ys i s of t i me — de p e nd e nt b e ha v i o r of pr e — - c a s t p r e — s t r e s s e d c o n c r e t e g i r d e r b r i d g e s [ J ] ．C o n s t r Bui l d M a t e r ．，2 00 2， 16( 1 )： 4 9 — 6 3． [ 1 1 ]B B AR R，S B HOS E I N I AN，M A B E Y GI ．S h r i n k a g e o f c o n c r e t e s t o r e d i n n a t u r a l e n v i r o n me n t s [ J ] ．C e m． & Conc r ． Co mpo s i t e s，2 0 03，2 5： 1 9— 2 9． [ 1 2 ]周履 ，陈永 春．收缩一 徐 变 [ M] ．北京 ： 中 国铁 道 出版 社 ， l 9 9 4 ． [ 1 3 ]朱伯芳． 大体积混凝土温度应力与温度控制[ M] ． 北京 ： 中 国 电 力 出 版社 ， 1 9 9 9 ． [ 1 4 ]T h e Ame r i c a n A s s o c i a t i o n o f S t a t e Hi g h wa y a n d Tr a ns p or t a t i 0 n Of f i c i a l s ． AASHTO LRFD Br i d ge D e s i g n s p e c i f i c a t i U n s [ s ] ．2 0 0 4 ． [ 1 5 ] J T GD 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I s ] ．北京 ： 人民交通出版社 ．2 0 0 4 ． ( 编辑 胡 玲 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m