1、1连续箱梁合龙段收缩差引起的箱梁框架自应力分析摘要：结合工程实际情况，在合龙段与相邻构件不同龄期差的收缩应变差计算的基础上，运用有限元方法计算得到了合龙段的米赛尔应力分布和横向、竖向、纵向的应力分布，以及合龙段早期收缩差产生的变形。分析表明，合龙段收缩差造成的顶底板横桥向拉应力是顶板较大，底板较小；该收缩差问题属于初应变受力模式，因此而采用在合龙段增加隔板是不正确的；结合箱梁框架内受力，该项自应力对裂缝的开展具有不可忽视的贡献。这些结论对于桥梁合龙段施工具有一定参考意义。 关键词：合龙施工；收缩差；自应力；有限元 Abstract:Combined with practical enginee
2、ring, the Mises stress distribution, the horizontal, longitudinal, vertical stress distribution and the deformation caused by the shrinkage difference during the early construction stages at the closing section were got with the finite element method based on the calculation of shrinkage strain diff
3、erence which is deduced by different concrete ages among the closure section and the adjacent components. Analysis shows that the transverse tensile stress in the top and bottom slabs caused by the shrinkage difference on the closing segment is larger and small in the top and bottom floor respective
4、ly; the shrinkage difference 2problem is an initial strain mode, thus increasing the partitions in the closing section is incorrect; combined with the box beam framework force, the contribution of the self-stress to the cracks can not be ignored. These findings have a certain reference value for the
5、 closure construction in a bridge. Key words: Closure construction; shrinkage difference; self-stress; finite element 中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号： 箱梁合龙段由于新浇混凝土的徐变、收缩和温度应力等的存在，往往在左右两侧产生很大的应变差，从而引起较大的自应力12。悬臂端部的位移、应力等都受这种自应力的影响。因此，准确计算该自应力的影响，对桥梁正常合龙等具有重要意义。但是，由于受到各种自然条件的影响和制约，该自应力计算具有一定的难度。本文以合龙段收缩差为自应力主
6、要因素，以某工程实例为依托，运用有限元方法计算了由收缩因素引起的自应力影响，为施工控制提供相应的参考依据。 一、概述 本工程位于珠江三角洲区域，跨越北江及其支流。跨越主航道设计采用 125+210+125m 连续刚构；跨越左汊主航道及东岸北江大堤，设计采用 65+4x100+62.5+35m 刚构-连续组合结构；中汊与左汊之间采用 2x65mT型刚构过渡。上部结构均采用悬臂浇筑施工工艺，主跨跨中及边跨设置3合龙段。 二、合龙段与其前后已浇箱室之间的应变差值 收缩应变在混凝土浇注后即刻开始，并与环境湿度、厚度有关34，这里取用相对湿度 75%。合龙段混凝土在施工流程安排中，浇注时间始终迟于已浇混
7、凝土，考虑对已浇混凝土施工缝处理时间；监控分析时间；合龙前吊架、水箱、合龙支架准备时间、立模扎钢筋时间；避让恶劣气候以及急剧温度变化的气候等因素，假定合龙段迟于相邻已浇混凝土节段分别为 60 天和 90 天情况下，箱室周口收缩应变差值随着合龙段混凝土时间增长的应变差值变化曲线图如下，后续计算取用龄期差 90 天。 从上图可见：仅由箱室龄期差异造成的收缩应变，其主要作用在合龙段终凝后并且水化热基本结束的前面时段，随着合龙后时间的推移，这种应变差值越来越小，直至消失，当然如果这期间裂缝开展了，恐难愈合。 三、收缩应变差引起的应力结果 混凝土的收缩是指混凝土在不受力的情况下,因变形需产生的体积减小,
8、 当自由收缩受到限制的时候，混凝土会产生拉应力。一般说来,混凝土的收缩机理主要有以下 3 种5: (1)硬化收缩,亦称自生收缩; (2)失水收缩; (3)碳化收缩,即大气中的二氧化碳与水泥的水化物发生化学反应引起的收缩变形。 AASHTO 估算法对任意时刻混凝土的收缩值按下式进行求解6： 4（1） 式中，t 为风干时间，d；ks 为尺寸系数；kh 为湿度系数。 对于收缩应力的计算，很多人在试验基础上进行了研究。吕艳梅等提出了商品混凝土收缩应力和弹性模量随时间变化的计算方法,给出了收缩应力计算公式和收缩应力曲线,并对影响混凝土收缩应力的因素进行了分析7。 （2） 式中，为任意时刻 t 时混凝土的
9、收缩应变；为混凝土基本收缩方程 （3） 为混凝土强度影响系数（C20 时取 0.87，C40 时取 1，C60 时取1.15） ；为配筋率和弹模影响系数（当时， ） 。 箱梁截面由于顶板、腹板及底板厚度差异较大,各部位收缩变形发展不同步,箱梁截面非均匀收缩现象显著,导致结构在发生轴向收缩的同时,还将产生挠曲变形8。 假定应力 KPa 为单位，正值为拉应力。建模计算发现，收缩差造成的应力分布相对集中，除合龙块外，前后明显影响区域约前后 2.4m，也即仅有前后约一个块件受到牵制，这说明合龙块收缩差是局部问题。 横桥向拉应力集中在顶底板，顶板顶缘拉应力 776Kpa，底缘1026Kpa；底板中部基本
10、均匀受拉，平均拉应力为 640Kpa。由于该应力实质就是自应力，因此，已浇梁段的顶底板受力均为受压，数值是由传递长度决定的，此案例顶板为合龙段数值的 42%，底板则是 44%。 5竖向应力分布在腹板，数值较大的靠近上梗腋，外侧为拉应力639Kpa，内侧则为压应力 395 Kpa，靠近上梗腋的分布相反：外侧为220Kpa，内侧则为 408 Kpa。说明腹板被顶底板的约束弯曲带动，上端嵌固弯矩数值上约为下端的两倍，性质相反。已浇梁段存在相反应力，最大数值为上述的 70%。 在合龙段中央，纵桥向应力分布绝大部分在 360Kpa（拉）339Kpa（压）之间，模型显示的翼板、箱室外侧底角处存在角点应力集
11、中现象，数值上 998Kpa、982Kpa，均为压应力。 由此可见，收缩差造成合龙块横桥向应力较明显：顶板平均 900Kpa拉应力，底板约 640Kpa（以 210m 刚构为算例） ，相邻已浇梁段则为受压。合龙段收缩差形成的箱梁顶底板横桥向应力分区现象极其明显：合龙段顶底板受拉，而相邻已浇梁段则均受压，原因是一般合龙段长度较短，应力转移现象十分仓促，结构利用施工缝位置传递剪应力，借此形成顶底板拉压应力的区分，一旦传递破坏，箱梁就需要利用较长区段来消化收缩差应变，因此一旦收缩差造成纵桥向裂缝，往往会殃及已浇梁段。 单项分析表明：合龙段收缩差造成的顶底板横桥向拉应力是顶板较大，底板较小，但结合箱梁
12、其它形式框架内受力，可以得知：尚未投入营运的顶板得益于横桥向预应力的强大作用，即便收缩差造成峰值拉应力，也完全被横桥向预应力抵消；而底板则为顶板横向预应力付出次轴6拉力的代价，同时还被附近梁段底板径向力作用着，因此最早出现裂缝问题的应该在底板。 合龙段收缩差问题属于初应变受力模式，因此而采用在合龙段增加隔板是不正确的（其他受力需要设置跨中隔板的除外） ，而在合龙段前后梁段浇注隔板或半隔板的措施（其他受力需要设置的除外）也不太直接。四、结论 1、合龙块收缩差是局部问题。从应力分布来看，合龙段加上其前后约一个梁段为其作用区间。收缩差效应是初应变产生的自应力行为，这种力学效果在前期较明显，后期随着时
13、间的推移而逐步消失。具体设计中应由前期收缩差值控制。在合理可行的工期安排下，合龙段与已浇梁段之间的浇筑龄期差不应大于 90 天。 2、腹板竖向应力呈弯曲型受力分布，较大的拉应力分布在上梗腋箱体外侧，这与其它控制腹板主应力下梗腋拉应力控制的情况有些不同，而且该处腹板本身受剪不严重，况且合龙段局部径向力小，故对于合龙段腹板，只需在腹板配筋上略加注意即可。 3、从顶底板横桥向拉应力数值上看，虽然单项合龙收缩差不会造成顶底板纵桥向裂缝的开展，但是结合箱梁框架内受力，不难理解，该项自应力对裂缝的开展具有不可忽视的贡献。 参考文献: 1苏智.大跨度连续刚构桥的施工仿真计算和参数影响分析D.长沙:长沙理工大
14、学,2005. 72周舟,苏智,颜东煌,郭志远.大跨度 PC 连续刚构桥合拢施工措施J.长沙理工大学学报(自然科学版).2006，3（4）：39-42. 3郑国栋.FRP 加固混凝土梁徐变效应及裂缝研究D.武汉：武汉理工大学，2010. 4惠荣炎,黄国兴,易冰若.混凝土的徐变M.北京:中国铁道出版社,1988. 5彭振斌,陈迎明,刘安邦.混凝土收缩机理及其诊治原理J. 混凝土. 2003，3：30-31 6丁勇，赵启林，马方圆，段金辉. 普通钢筋混凝土箱梁桥腹板竖向裂缝成因分析J. 2009，39（增刊）：919-922 7吕艳梅，刘立新，徐有邻. 商品混凝土收缩应力试验研究J. 东南大学学报(自然科学版).2005，35（增刊）：144-148 8黄海东,向中富,郑皆连. 混凝土结构早期非均匀收缩试验J. 中国公路学报.2010，23（3）：64-69
