預(yù)應(yīng)力混凝土T梁早期豎向裂縫分析

徐亞飛，周建庭，陳增順，唐 杰

(重慶交通大學(xué)土木與建筑學(xué)院)

混凝土材料為非均質(zhì)的，結(jié)構(gòu)承受拉力作用時(shí)，截面內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)受力是不均勻的，存在大量不規(guī)則的應(yīng)力集中點(diǎn)，部分應(yīng)力集中點(diǎn)因應(yīng)力首先達(dá)到混凝土抗拉強(qiáng)度極限值，引起局部變形，若配置鋼筋量不足，便在應(yīng)力集中處出現(xiàn)裂縫。因此當(dāng)溫度收縮在T梁中跨引起的水平法向應(yīng)力σxmax超過(guò)了混凝土的抗拉強(qiáng)度，將出現(xiàn)第一條裂縫，一片梁分為兩片，內(nèi)力重分布，每片T梁又有自己的水平應(yīng)力分布，且其圖形完全相似，但其最大值由于長(zhǎng)度減少了一半而減少，若該值仍然超過(guò)抗拉強(qiáng)度，則形成第二批裂縫，每片再分成兩片，共四段梁三條裂縫。如此持續(xù)下去一直到最后那段梁中部最大水平應(yīng)力小于或等于抗拉強(qiáng)度，裂縫便穩(wěn)定，不再增加。因此預(yù)制T梁的裂縫“一再?gòu)闹胁块_(kāi)裂”是比較有規(guī)律的，且兩邊對(duì)稱，但事實(shí)由于混凝土抗拉強(qiáng)度不均勻，而使裂縫部位有時(shí)不完全位于中部。

預(yù)應(yīng)力混凝土T梁早期豎向裂縫分析

徐亞飛，周建庭，陳增順，唐 杰

(重慶交通大學(xué)土木與建筑學(xué)院)

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的勘察以及裂縫狀況研究與分析，得出了預(yù)應(yīng)力混凝土T梁早期豎向裂縫產(chǎn)生的原因:混凝土的干縮不均勻;裂縫的“摸箍作用”;溫度收縮應(yīng)力較大;混凝土保溫保濕不足。進(jìn)一步做了有限元仿真分析，得出溫度應(yīng)力是裂縫產(chǎn)生的主要原因，但經(jīng)裂縫指數(shù)分析，裂縫水平為表面裂縫，與實(shí)際相符。

早期豎向裂縫;溫度收縮應(yīng)力;阻力系數(shù);裂縫指數(shù)

1 工程實(shí)例

1重慶市開(kāi)縣趙白路某大橋?yàn)?×40跨預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁橋，主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土T梁形式。從2012年7月22日開(kāi)始至8月5日，有5片T梁在澆筑后2～3 d(未張拉預(yù)應(yīng)力)，在梁體腹板突然出現(xiàn)若干條細(xì)小裂縫。

2 裂縫狀況

重慶市開(kāi)縣趙白路某大橋在預(yù)制T梁過(guò)程中，在T梁腹板發(fā)現(xiàn)若干條裂縫，裂縫均在翼緣與馬蹄之間部位，部分為橫隔板與T梁交界附近，方向?yàn)樨Q向。2012年8月8日，某檢測(cè)中心對(duì)T梁進(jìn)行了超聲波檢測(cè)，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)5-1#、5-5#梁各有一條裂縫;5-3#、5-4#、5-2#梁有兩條裂縫。裂縫寬度為0.2～0.4 mm;裂縫深度為13～40 mm。

3 裂縫產(chǎn)生原因分析

3.1 干縮不均勻

早期裂縫一般主要是由構(gòu)件的不均勻收縮引起的。收縮又與構(gòu)件的尺寸有一定關(guān)系，較薄構(gòu)件具有較大(較快)的收縮，較厚的具有較小的收縮?？梢远糠从尺@一關(guān)系的是水力半徑的倒數(shù)r，r越大收縮越大。

混凝土構(gòu)件的水力半徑倒數(shù)，即構(gòu)件受包圍截面的周長(zhǎng)L(與大氣接觸的長(zhǎng)度)與該周邊所包圍的截面面積F之比。

r=周邊長(zhǎng)/截面面積

r(腹板)=0.35;r(翼緣板)=0.11

因此具有較大收縮的腹板受到翼緣板的約束，腹板產(chǎn)生拉應(yīng)力。沿縱向(即尺寸較大方向)拉應(yīng)力較大，產(chǎn)生的裂縫與最大應(yīng)力垂直，且呈豎向。由于收縮沿腹板面不均勻，外表面收縮大，里表面收縮小，故為表面性裂縫。

3.2 裂縫的“摸箍作用”

如鋼筋混凝土梁的鋼筋對(duì)混凝土的收縮起到了引起約束應(yīng)力的作用，但是，當(dāng)裂縫形成時(shí)，鋼筋又起了約束裂縫形成和擴(kuò)展的阻力作用，以此，裂縫距約束有一定距離，這種作用叫做“摸箍作用”°

具有連續(xù)式約束的結(jié)構(gòu)物，如地基上的長(zhǎng)墻，承受溫度或收縮變化時(shí)，最大的約束應(yīng)力在約束邊，因此裂縫應(yīng)該由約束邊出發(fā)向上發(fā)展，但是，實(shí)際觀察到的裂縫并不是完全由約束邊出發(fā)，而是離約束邊還有一定距離逐漸向上發(fā)展。還有在梁板結(jié)構(gòu)中，板的四個(gè)邊緣有加筋肋，樓板收縮變形時(shí)，受到肋的約束，最大約束應(yīng)力應(yīng)在肋的邊緣，裂縫理應(yīng)在肋邊出現(xiàn)，但是，裂縫距離肋也保持一定距離，形成裂縫。

根據(jù)以上原理，工程預(yù)制T梁受到預(yù)制平臺(tái)連續(xù)約束，最大的約束應(yīng)力在約束邊，即腹板的四個(gè)邊緣有加筋的翼緣板、橫隔板和擴(kuò)大的馬蹄約束。因在T梁養(yǎng)護(hù)過(guò)程中過(guò)早揭開(kāi)草墊致使腹板收縮突變，受到翼緣板與馬蹄的約束，最大約束應(yīng)力應(yīng)在翼緣板與馬蹄的邊緣，裂縫理應(yīng)在邊上出現(xiàn)，但是，裂縫距離翼緣板與馬蹄保持一定距離，形成豎向裂縫。

3.3 溫度收縮應(yīng)力分析

其中:τ為結(jié)構(gòu)物同地基接觸面上的剪應(yīng)力;Cx為比例系數(shù)，地基水平阻力系數(shù)，引起單位位移的剪應(yīng)力;H為結(jié)構(gòu)物高度;H(t，τ)為混凝土的松弛系數(shù);α為混泥土線膨脹系數(shù)。

水平應(yīng)力σx是設(shè)計(jì)主要控制應(yīng)力，是經(jīng)常引起垂直裂縫的主要應(yīng)力，其最大值在截面的中點(diǎn)x=0處，此處剪應(yīng)力τ=0，即最大主應(yīng)力。

混凝土材料為非均質(zhì)的，結(jié)構(gòu)承受拉力作用時(shí)，截面內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)受力是不均勻的，存在大量不規(guī)則的應(yīng)力集中點(diǎn)，部分應(yīng)力集中點(diǎn)因應(yīng)力首先達(dá)到混凝土抗拉強(qiáng)度極限值，引起局部變形，若配置鋼筋量不足，便在應(yīng)力集中處出現(xiàn)裂縫。因此當(dāng)溫度收縮在T梁中跨引起的水平法向應(yīng)力σxmax超過(guò)了混凝土的抗拉強(qiáng)度，將出現(xiàn)第一條裂縫，一片梁分為兩片，內(nèi)力重分布，每片T梁又有自己的水平應(yīng)力分布，且其圖形完全相似，但其最大值由于長(zhǎng)度減少了一半而減少，若該值仍然超過(guò)抗拉強(qiáng)度，則形成第二批裂縫，每片再分成兩片，共四段梁三條裂縫。如此持續(xù)下去一直到最后那段梁中部最大水平應(yīng)力小于或等于抗拉強(qiáng)度，裂縫便穩(wěn)定，不再增加。因此預(yù)制T梁的裂縫“一再?gòu)闹胁块_(kāi)裂”是比較有規(guī)律的，且兩邊對(duì)稱，但事實(shí)由于混凝土抗拉強(qiáng)度不均勻，而使裂縫部位有時(shí)不完全位于中部。

圖1 溫度收縮裂縫情況

從公式(3)可以看出在混凝土材料、結(jié)構(gòu)尺寸一定的條件下，溫度收縮應(yīng)力僅由溫度T和阻力系數(shù)Cx決定。不妨假定降溫為40℃，從而得到溫度收縮應(yīng)力σxmax與阻力系數(shù)Cx的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 溫度應(yīng)力隨阻力系數(shù)的變化

從圖2可以看出T梁的溫度收縮應(yīng)力急劇增加，一般的素混凝土的阻力系數(shù)為7×10-1N/mm3，而現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制平臺(tái)是在表面做了一定處理的素混凝土，在此取阻力系數(shù)為3×10-1N/mm3，混凝土 C50彈性模量 E 為 3.45×104MPa，α 取1×105，此時(shí)的溫度收縮應(yīng)力為2.95 MPa大于了混凝土的抗拉強(qiáng)度2.65 MPa，產(chǎn)生裂縫。若對(duì)預(yù)制平臺(tái)一定滑動(dòng)層處理，減小阻力系數(shù)到2×10-1N/mm3之內(nèi)，此時(shí)溫度收縮應(yīng)力為2.2 MPa，若再對(duì)溫度加以控制，如降溫差控制在30℃內(nèi)，溫度應(yīng)力則為1.7 MPa，即可控制裂縫的出現(xiàn)。

3.4 保溫保濕不足

一種結(jié)構(gòu)是粘性的還是脆性的，不但看材料的物質(zhì)組成，還要看造成約束應(yīng)力的作用時(shí)間(或荷載作用時(shí)間)比該結(jié)構(gòu)的松弛周期長(zhǎng)還是短。混凝土是具有流變特征的材料，如果盡力降低荷載速度(或降低約束變形變化速度)，那么通常認(rèn)為的脆性混凝土也變得相當(dāng)粘滯了，它的極限抗拉伸可以提高1～3倍，對(duì)控制裂縫十分有利。

但在本工程的裂縫調(diào)查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在T梁拆模后，過(guò)早揭開(kāi)草墊，并且當(dāng)時(shí)為夏季溫度高達(dá)40℃，T梁在短時(shí)間水分失去速度較快，這就相當(dāng)于加快了約束變形變化的速度，而使本來(lái)就相對(duì)脆性的混凝土變得更脆化，以致裂縫出現(xiàn)。另外若在冬季施工，在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中保溫尤為重要，若溫度降的較快，混凝土徐變性質(zhì)得不到發(fā)揮，沒(méi)有應(yīng)力松弛效應(yīng)，將呈彈性脆裂。

4 T梁水化熱有限元分析

4.1 有限元模型建立

采用結(jié)構(gòu)有限元分析軟件Midas Civil，對(duì)40mT梁進(jìn)行實(shí)體建模。參數(shù)取值如下:材料T梁C50混凝土，預(yù)制平臺(tái)C30混凝土，材料抗壓強(qiáng)度采用ACI標(biāo)準(zhǔn);環(huán)境溫度采用正弦函數(shù)，溫度變化幅度T取5°，平均溫度35℃。

4.2 裂縫指數(shù)

利用韓國(guó)混凝土規(guī)范中使用溫度裂縫指數(shù)預(yù)測(cè)裂縫是否發(fā)生。

裂縫指數(shù)=混凝土抗拉強(qiáng)度/溫度應(yīng)力

防止裂縫發(fā)生時(shí):1.5以上;限制裂縫發(fā)生時(shí):1.2～1.5;限制有害裂縫發(fā)生時(shí):0.7 ～1.2。

4.3 有限元計(jì)算結(jié)果分析

取中跨翼緣板、腹板及馬蹄內(nèi)部給一點(diǎn)，分別為N16429、N13604、N8645，其與容許抗拉強(qiáng)度對(duì)比如圖4。

圖3 T梁澆筑后40 h應(yīng)力場(chǎng)

從圖3、4可以看出在T梁澆筑兩天左右出現(xiàn)最大溫度應(yīng)力，主要出現(xiàn)在中跨至1/4跨之間，最高可達(dá)到3.1 MPa，超過(guò)了混凝土的容許拉應(yīng)力2.65 MPa，裂縫指數(shù)為0.85，為限制有害裂縫產(chǎn)生水平。中跨翼緣板、腹板、馬蹄裂縫指數(shù)如表1，可以看出在T梁澆筑1～2 d內(nèi)，因混凝土早期強(qiáng)度不足而水化熱引起的溫度應(yīng)力較高，T梁易產(chǎn)生裂縫，且為表面裂縫。翼緣板與腹板受拉，應(yīng)力較高，裂縫本應(yīng)該在從翼緣板出現(xiàn)，但由于“摸箍作用”裂縫在距離翼緣板一定距離產(chǎn)生。

圖4 溫度應(yīng)力與混凝土容許拉應(yīng)力對(duì)比

表1 T梁裂縫指數(shù)

5 裂縫的處置及建議

經(jīng)過(guò)以上分析，本工程的裂縫主要是溫度、收縮引起的裂縫，并且是表面裂縫，裂縫深度都在混凝土保護(hù)層之內(nèi)，且結(jié)構(gòu)還未受力，裂縫為非結(jié)構(gòu)性裂縫。另一方面鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于荷載引起的裂縫與變形約束應(yīng)力引起的裂縫有本質(zhì)的區(qū)別，前者裂縫的出現(xiàn)與不斷擴(kuò)展引起內(nèi)力增加，后者引起內(nèi)力的不斷松弛。因?yàn)槭潜砻媪芽p且預(yù)制T梁在張拉預(yù)應(yīng)力后，預(yù)加力也是對(duì)腹板豎向裂縫也是有利的，本工程裂縫采取了“壁可法”裂縫修補(bǔ)，在后續(xù)施工中未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，可作為類似工程問(wèn)題借鑒。

為了防止以后工程發(fā)生類似問(wèn)題，給出如下建議(1)設(shè)計(jì)方面:適當(dāng)增加構(gòu)造配筋，在橫隔板和T梁接觸處以及腹板中部加強(qiáng)分布鋼筋，盡量采用小直徑、密間距;設(shè)計(jì)中要考慮溫度、收縮應(yīng)力的影響°(2)材料方面:科學(xué)地選取材料配比，用較低的水灰比、水和水泥用量;嚴(yán)格控制沙石骨料的含泥量°(3)施工方面:采用保溫隔熱法對(duì)混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù);控制降溫速度;用草墊和塑料薄膜進(jìn)行保溫和保濕，不可過(guò)早揭開(kāi)草墊;改變底模結(jié)構(gòu)類型，設(shè)置滑動(dòng)層和壓縮層減小預(yù)制平臺(tái)對(duì)預(yù)制梁的約束作用。

6 總結(jié)

通過(guò)以上分析可以得出，T梁豎向裂縫主要是由于混凝土收縮及溫度應(yīng)力而產(chǎn)生，歸根結(jié)底的來(lái)說(shuō)是T梁變形因收到約束而產(chǎn)生。如若減小預(yù)制平臺(tái)的阻力系數(shù)，減小結(jié)構(gòu)的變形約束;在橫隔板與T梁以及T梁腹板中部配置一定的鋼筋網(wǎng)，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度等此類“放”與“抗”的裂縫控制方法，將會(huì)使工程裂縫問(wèn)題出現(xiàn)的概率大大減小。

［1］錢永久，車惠民，余曉華.腹板上有豎向裂縫的鋼筋混凝土T梁抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1994，29(4)，385-389.

［2］姜增國(guó)，姜川，郭玉峰，黃濤.預(yù)應(yīng)力混凝土T梁早期裂縫原因分析［J］.武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34(5)，23-26.

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［4］徐廣澤.預(yù)制混凝土T型梁早期裂縫的成因與防治［J］.交通世界，2010，(1):113-114.

U445.7

C

1008-3383(2014)03-0095-02

2013-10-19

徐亞飛(1986-)，男，河南安陽(yáng)人，碩士研究生，主要從事橋梁檢測(cè)、評(píng)定、加固與結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)方向的工作。

文獻(xiàn)中關(guān)于地基上長(zhǎng)墻溫度收縮應(yīng)力基本公式(1)、(2)