高性能混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的早期收縮問題探討

盛慧雄,袁建偉,楊 俐

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院,長(zhǎng)沙 410076;2.湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院,湘潭411105)

0 引 言

橋梁的的早期收縮是造成橋梁早期裂縫的一個(gè)重要因素,故現(xiàn)在存在很多學(xué)者對(duì)橋梁的早期收縮問題進(jìn)行研究.混凝土收縮是混凝土材料本身固有的時(shí)變特性,會(huì)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)受力與變形隨時(shí)間的變化而變化[1-3].而橋梁是以混凝土為主要構(gòu)造材料.

一些學(xué)者開始對(duì)混凝土的早期收縮進(jìn)行研究.我國(guó)學(xué)者巴恒靜等為了研究水泥用量、水灰比等混凝土內(nèi)部因素對(duì)混凝土早期收縮的影響,建立了水泥石結(jié)構(gòu)形成與混凝土早期收縮模型[4].還有我國(guó)學(xué)者王鐵夢(mèng)研究了混凝土的早期收縮與裂縫的關(guān)系[5].但是,他們對(duì)混凝土早期收縮都只局限于在實(shí)驗(yàn)室對(duì)試塊的早期收縮進(jìn)行研究,而沒有應(yīng)用到實(shí)際工程中.本文將該方法引用到連續(xù)剛構(gòu)橋,初步探討高性能混凝土早期收縮對(duì)混凝土橋梁的影響.

1 當(dāng)量溫差對(duì)橋梁首跨的早期收縮

1.1 “早期”的界定

因?yàn)榛炷恋氖湛s變形過(guò)程是連續(xù)的,在時(shí)間上并沒有明確的界限,故導(dǎo)致我們定義早期收縮的時(shí)候,只能憑自己主觀的看法.有國(guó)外學(xué)者,如E.Hot和M.Leivo把混凝土從澆筑開始后的24 h作為早期,這一時(shí)期的混凝土處在凝結(jié)硬化當(dāng)中;相應(yīng)地把混凝土24 h以及以后的齡期稱為后期(或長(zhǎng)期).此外,還有把混凝土從澆筑到溫度變化過(guò)程穩(wěn)定這段時(shí)間稱為早期.在國(guó)內(nèi),錢曉倩教授等研究發(fā)現(xiàn),伴隨著水泥的水化,混凝土的干燥收縮和自收縮在1 d以內(nèi)發(fā)展最快,3 d以內(nèi)發(fā)展較快,3 d之后趨緩[6-7].

目前橋梁施工以及建筑施工中,人們一般只關(guān)注混凝土的最終收縮值,但是導(dǎo)致混凝土早期裂縫產(chǎn)生的因素包括溫度、濕度、徐變等.對(duì)于普通混凝土來(lái)說(shuō),干縮占主導(dǎo);對(duì)于高性能混凝土來(lái)說(shuō),由于一些外加劑加入,自收縮占主導(dǎo).

1.2 當(dāng)量溫差法計(jì)算原理[5]

(1)混凝土收縮值:

式中 ey(t)——各齡期混凝土收縮值;

t——混凝土澆筑后至計(jì)算時(shí)的天數(shù);

ε′y — —標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下最終收縮值 ,ε′y=3.24 ×10-4;

e——常數(shù) ,取 e=2.718;

M1、M2、…Mn——考慮各種非標(biāo)準(zhǔn)條件下的修正系數(shù).

(2)混凝土收縮當(dāng)量溫差:

式中 Ty(t)——混凝土收縮當(dāng)量溫差;

α——混凝土線膨脹系數(shù),α=1.0×10-5

(3)計(jì)算溫差值:

式中 T′d(t)——混凝土各齡期溫差值.

然而,在混凝土收縮的當(dāng)量溫差中 T=T1+T2+T3,其中,由混凝土水化熱升溫導(dǎo)致當(dāng)量溫差為T1,由大氣溫度導(dǎo)致的當(dāng)量溫差為 T2,有混凝土收縮導(dǎo)致的當(dāng)量溫差為T3.由這三部分構(gòu)成混凝土的當(dāng)量溫差.

2 算例

2.1 工程背景

水道擬建橋位處現(xiàn)況河道寬度約240 m,航道等級(jí)為III級(jí),一孔雙向通航凈寬為150 m,凈高10 m,設(shè)計(jì)最高通航水位3.70(85高程),洪水重現(xiàn)期為20年.河道設(shè)巡河路,巡河路凈寬6 m,凈空4.5 m.

水道東側(cè)支流名為律涌,擬建橋位處現(xiàn)況河道寬度約90 m,航道等級(jí)為VI級(jí),通航凈寬40 m,凈高6 m,設(shè)計(jì)最高通航水位3.70(85高程),洪水重現(xiàn)期為20年.河道設(shè)巡河路,巡河路凈空4.5 m.

水道主橋主梁采用三跨變截面懸臂澆注預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu),跨徑為110+180+110=400 m.半幅橋梁寬15.6 m,橋梁面積12480 m2.

2.2 有限元模型

本文的有限元分析是利用ANSYS有限元軟件進(jìn)行模擬,選取橋梁的首跨作為代表分析.本文中為了以避免大量模型建立時(shí)的重復(fù)操作,主要采用ANSYS命令流建立模型.模型材料選取與實(shí)際相近的SOLID95和LINK8單元來(lái)模擬混凝單元和鋼筋單元[8].

考慮橋梁的邊界條件,橋墩底用固端表示,混凝土自重取g=9.8,且考慮的是橋梁首跨在沒有張拉之前的混凝土收縮.根據(jù)當(dāng)量溫差計(jì)算公式,得出混凝土的溫差為T=-5.7℃.

首跨的有限元模型如圖1所示.

圖1 首跨有限元實(shí)體模型

實(shí)驗(yàn)研究中,選擇的應(yīng)變測(cè)量點(diǎn)如圖2所示.

圖2 橋梁應(yīng)變控制點(diǎn)布置截面圖

2.3 橋梁首跨早期收縮測(cè)量結(jié)果及分析

為了考慮橋梁早期收縮與其時(shí)間的關(guān)系及收縮對(duì)橋梁收縮對(duì)裂縫的影響,本作者對(duì)上節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了觀測(cè),結(jié)果如圖3所示.

圖3 各節(jié)點(diǎn)收縮應(yīng)力變化圖

由圖3可以看出,在橋梁上個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的收縮應(yīng)力各不相同,1#、2#、3#節(jié)點(diǎn)布置在橋梁的頂板,其產(chǎn)生的應(yīng)力在澆注后12～24 h內(nèi),收縮應(yīng)力變化最大,且收縮值也達(dá)到最大.腹板的4#、8#節(jié)點(diǎn),混凝土的收縮應(yīng)力一直處于上升中,在24 h左右達(dá)到最大.底板5#、6#、7#應(yīng)力值,跟頂板的變化趨勢(shì)相似.

以上測(cè)量結(jié)果顯示,第一,橋梁上早期收縮中,以腹板應(yīng)力變化最大,說(shuō)明混凝土早期收縮對(duì)其早期裂縫的產(chǎn)生有著重要的影響.第二,在橋梁混凝土早期收縮中,一般在澆注24 h內(nèi)變化最為明顯,故橋梁應(yīng)在此段時(shí)間內(nèi)注意早期裂縫的防護(hù).

2.4 結(jié)果對(duì)比

為了更好的研究橋梁的早期收縮,以便在以后對(duì)早期收縮值的大小可預(yù)見性.本文利用的ANSYS實(shí)體模型中一天后的橋梁早期混凝土的應(yīng)力結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,如圖4所示.

圖4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與ANSYS數(shù)據(jù)對(duì)比圖

在實(shí)際橋梁中,由于橋梁中混凝土接觸的環(huán)境比較復(fù)雜,故會(huì)出現(xiàn)和理論值不相符的結(jié)果.混凝土的早期收縮與環(huán)境的溫度和相對(duì)濕度有一定的關(guān)系,在有限元計(jì)算中,很難完全模擬當(dāng)時(shí)的實(shí)際環(huán)境溫度和相對(duì)濕度變化.故導(dǎo)致ANSYS的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的數(shù)值存在的一定的差值.但從圖4可以看出其變化趨勢(shì)是一致的.

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)橋梁的幾個(gè)節(jié)點(diǎn)測(cè)量和利用有限元進(jìn)行模擬的結(jié)果,可得出一下結(jié)論:

(1)橋梁中高性能混凝土的早期收縮能產(chǎn)生較大的應(yīng)力,且一般在混凝土澆注1 d之內(nèi)產(chǎn)生,這能造成橋梁產(chǎn)生早期裂縫的產(chǎn)生.

(2)在橋梁截面各部分中,在早期以腹板產(chǎn)生的收縮應(yīng)力最大,故在早期裂縫防治中應(yīng)對(duì)其多注意.

(3)利用當(dāng)量溫差原理來(lái)分析早期混凝土的收縮是比較簡(jiǎn)便的方法之一,且可行.故可以利用此方法對(duì)橋梁等大體積構(gòu)件的早期裂縫問題進(jìn)行預(yù)測(cè),以至于在施工中更好的避免其早期裂縫的產(chǎn)生.

[1]錢曉倩,詹樹林,等.減水劑對(duì)混凝土早期收縮和總收縮的影響[J].混凝土,2004,(5).

[2]張士鐸.橋梁設(shè)計(jì)理論[M].人民交通出版社,1984.

[3]沈蒲生.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].高等教育出版社,2002.

[4]巴恒靜,等.寒冷地區(qū)負(fù)溫泵送混凝土與高強(qiáng)混凝土冬季施工技術(shù)研究[J].建筑技術(shù),1997,(11):761.

[5]王鐵夢(mèng).建筑物的裂縫控制[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1987.

[6]E.Holt,M.Leivo.Cracking Risks Associated Withearly Age Shrinkage[M].Cement&Concrete Composites,2004.

[7]B.Glisic,N.Simon.Monito Ring of Concreteat Very early Age UsingStiff SOFO Sensor[Z].Ce-ment&Concrete Composites,2000.

[8]ANSYS中國(guó)公司.ANSYS高級(jí)分析技術(shù)指南[M].2000.