变截面连续箱梁施工阶段裂缝成因分析

变截面连续箱梁施工阶段裂缝成因分析

蒋文波

湖州交通规划设计院，浙江湖州 313000

摘要：某主跨为100m的变截面预应力混凝土连续箱梁桥，在悬臂浇筑施工过程中箱梁节段腹板及加腋处出现斜裂缝。判断混泥土裂缝产生的原因与钢束应力及施工养护方式相关，通过运用Midas civil及FEA有限元模拟，从钢束应力、混凝土配合比及混凝土养护3个方面对其进行了影响分析。结果表明，箱梁施工裂缝与钢束应力，混凝土配合比及混凝土养护方式密切有关，并针对分析结果提出预防措施。

关键词：混凝土连续梁；悬臂浇筑；施工裂缝；有限元模拟

前言

变截面预应力混凝土连续箱梁桥是大跨径桥梁的经典桥型之一，该桥型结构线形简洁明快，上部结构受力明确，结构体系变形小，刚度好，易于养护；施工工艺成熟，工期易控制，挂篮悬臂施工对航道干扰小。随着该桥型在我国各地的广泛应用，施工过程中混泥土开裂的问题时有发生。裂缝的出现与材料特性、结构特点、施工工艺等多种因素相关。本文基于工程实例，对变截面连续梁悬臂浇筑过程中出现的裂缝从钢束应力、混凝土配合比级混凝土养护等方面利用有限元软件进行分析，得出结论并提出改进措施。

1 工程概况

某变截面连续梁桥（60+100+60m）采用单箱单室截面，边墩处梁高为2.6m，中墩处梁高为6.0m，中间梁高按照抛物线变化。箱梁顶宽16m，箱梁底宽8.5m，左右悬臂长各3.75m。纵、横向预应力钢束采用高强度、低松驰270级φ15.2mm钢绞线，标准强度f_pk≥1860MPa。竖向预应力短索采用二次张拉低回缩钢束。箱梁砼等级为C55。箱梁整体如下图1.1所示。

图1.1 箱梁整体图

2 裂缝分布与特征

本连续箱梁悬臂施工过程中出现的裂缝其主要分布如图2.1所示。

图2.1 裂缝分布示意图

裂缝分布特征：①悬浇节段腹板斜裂缝分布方向基本与竖向预应力下弯钢束方向一致，数量1～2条，长约0.5～0.8m；②悬浇节段顶板加腋处裂缝方向基本与梁段纵向一致，裂缝数量1～2条，长约0.2～0.6m；③在靠近主墩处1～3号节段出现裂缝的现象比后续节段明显，裂缝宽度均较小，后续发展不明显。

3 有限元分析

3.1 钢束应力分析

3.1.1 建立模型

采用midas FEA 3.7有限元软件，选取0～3号箱梁节段建立数值分析模型，施工阶段划分如下表3.1所示。

表3.1 施工阶段划分

顶板束T0～T3采用的钢束型号为15φ15.2mm，腹板束W0（W0'）～W3（W3'）采用采用的钢束型号为9φ15.2mm，锚下张力控制应力均为1395MPa。箱梁节段模型如下图3.1～3.2所示。

图3.1 箱梁节段模型

图3.2 箱梁钢束布置

3.1.2 计算结果

施工阶段8即进行T3、W3、W3'张拉后，2#、3#节段应力云图如下图3.3～3.5所示（压负拉正）

图3.3 SPXX应力图（纵桥向）

由上图可知最大拉应力发生在顶板翼缘，最大拉应力б_X=0.183MPa。腹板束弯曲段附近单元X方向均受压，X方向最大拉应力б_SPXX=-1.25MPa。

图3.4 SPYY应力图（横桥向）

由上图可知最大拉应力发生在顶板加腋顶部，最大拉应力б_Y=1.08MPa。腹板束弯曲段附近单元Y方向局部受拉，Y方向最大拉应力б_SPYY=0.125MPa。

图3.5 SPZZ应力图（竖向）

由上图可知最大拉应力发生在顶板加腋顶部，最大拉应力б_Z=0.251MPa。腹板束弯曲段附近单元Z方向均受压，Z方向最大拉应力б_SPZZ=-0.211MPa。

3.1.3 结果分析

由计算结果可知，2#、3#节段单元最大拉应力б_X=0.183MPa，б_Y=1.08MPa，б_Z=0.251MPa，腹板束弯曲段附近单元最大拉应力б_SPXX=-1.25MPa，б_SPYY=0.125MPa,б_SPZZ=-0.211MPa，均不超混凝土拉应力设计值f_td=1.89MPa。但从本项目斜裂缝的分布形状及方向来看，腹板束径向应力应是直接原因之一，初步分析其产生的原因为该阶段腹板钢束应力与后续节段钢束张拉及养护方式等因素产生的应力形成了叠加，加剧了裂缝的开展。

3.2 混凝土配合比及混凝土养护方式分析

3.2.1 分析概况

分析不同混凝土配合比情况下，自然养护和喷雾养护的养护效果，混凝土配合比如下表3.2所示。

表3.2 C55混凝土生产配合比（1m³）

3.2.2 建立模型

采用Midas civil 2019有限元软件，选取2#、3#箱梁节段，建立水化热数值分析模型。3#节段箱梁内表面拆模后（24h后拆箱梁内模），分析自然养护和喷雾养护两种不同养护方式的养护效果。模型如下图3.6所示。

图3.6 水化热分析模型

第①种配合比：可计算得到混凝土绝热温升为67.1℃，施工环境温度、混凝土浇筑温度均设定为30℃，m=0.406, 箱梁外露面钢模板对流系数取14W/m².[T], 箱梁内表面竹胶板模板对流系数取6W/m².[T], 箱梁顶面土工布养护对流系数取3.5W/m².[T], 箱梁顶面土工布（加强洒水后）养护对流系数取10W/m².[T]， 自然外露面对流系数取10W/m².[T]，喷雾对流系数取30W/m².[T]。

假设3#节段浇筑时，2#节段水化热已完成，温度已恢复至正常温度。3#节段水化热分析结果如下图3.7-3.9所示：

图3.7 自然养护（t=72h，T_max=58.3℃） 图3.8 喷雾养护（t=42h，T_max=53.3℃）

图3.9 混凝土养护温度变化曲线

由以上结果可知：自然养护水化热效应最高温度发生在t=72h，最高温度T_max=58.3℃，最高升温△T=58.3-30=28.3℃；喷雾养护水化热效应高温度发生在t=42h，最高温度T_max=53.3℃，最高升温△T=53.3-30=23.3℃。

第②种配合比：可计算得到混凝土绝热温升为71.0℃，其余参数均与第①种配合相同。假设3#节段浇筑时，2#节段水化热已完成，温度已恢复至正常温度。3#节段水化热分析结果如下图3.10-3.12所示：

图3.10 自然养护（t=72h，T_max=60.0℃） 图3.11 喷雾养护（t=42h，T_max=54.7℃）

图3.12 混凝土养护温度变化曲线

由以上结果可知：自然养护水化热效应高温度发生在t=72h，最高温度T_max=60.0℃，最高升温△T=60.0-30.0=30.0℃；喷雾养护水化热效应高温度发生在t=42h，最高温度T_max=54.7℃，最高升温△T=54.7-30=24.7℃。

3.2.3 分析结果

养护方式影响分析：喷雾养护效果优于自然养护，以第①种配合比结果为例，养护时最高温度发生的时间由72h缩短至42h，最高升温△T由28.3℃降低至23.3℃。

混凝土配合比分析：第①种配合比优于第②种配合比，从配合比表可以看出，第②种配合比水泥含量比第①种多，第①种配合比最高升温小于第②种配合比最高升温。建议适当降低水泥含量。

养护方式和混凝土配合比均对后期养护温度影响较大，而温度应力是施工阶段混凝土裂缝产生的重要原因，因此建议对混凝土配合比进一步优化，在条件容许的情况下尽量采用喷雾养护。

4 裂缝处理

裂缝处理方法如下：裂缝宽度≥0.15mm,采用裂缝修补用胶（注射剂）压力灌注法进行处理；裂缝宽度<0.15mm，采用裂缝修补用胶进行表面封闭处理。建议对本桥产生的裂缝进一步仔细检查，按照上述两种方法分别进行处理。

5 结语

1)本桥施工裂缝主要分布于腹板下弯束及顶板加腋附近，腹板斜裂缝与腹板束下弯束方向基本一致，通过建模分析可知本桥钢束应力均不超混凝土拉应力设计值f_td=1.89MPa、得知裂缝处腹板不会开裂。但从本项目斜裂缝的分布形状及方向来看，腹板束径向应力应是直接原因之一，初步分析其产生的原因为腹板钢束应力与后续节段钢束张拉及养护方式等因素产生的应力形成了叠加，加剧了裂缝的开展。建议施工钢束张拉时加强钢束应力控制，并进行多种施工工艺综合试验对比，选择与施工过程及后期养护相适应的综合控制方案。

2)喷雾养护效果优于自然养护，以第①种配合比结果为例，养护时最高温度发生的时间由72h缩短至42h，最高升温△T由28.3℃降低至23.3℃，能较为显著的降低最高升温，缩短养护时间，建议综合对比采取合适的养护方式，在条件容许的情况下尽量采用喷雾养护。

3)混凝土配合比分析：水泥含量较低的混凝土后期最高升温要比水泥含量较高混凝土低，建议综合对比，适当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缝控制。

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