第３８卷第１２期 ２ ０ １ ２年４月 ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨｆｆＥＣＴＵＲＥ 山 西 建 筑 Ｖ０１．３８ Ｎｏ．１２ Ａｐｒ．２０１２ ・２０３・ 文章编号：１００９—６８２５（２０１２）１２—０２０３・０３ 连续梁施工期腹板斜裂缝成因分析和防治措施 高恩全郑永卫 王丰平 ３１０００６） （浙江省交通规划设计研究院，浙江杭州摘要：针对某大跨连续梁桥施工阶段早期的腹板斜裂缝开展情况，进行了精细的有限元分析，通过分析，认为导致腹板斜裂缝出 现的主要原因是水化热温差效应和不均匀收缩的影响，排除了自重、预应力等结构受力因素，提出了针对性措施，从而抑制了裂缝 的产生。 关键词：温差应力，腹板斜裂缝，连续梁，局部分析，空间有限元 中图分类号：Ｕ４４８．２１５ 文献标识码：Ａ ０引言 预应力混凝土连续梁桥为常规桥梁，设计、施工经验丰富。 了防治措施应用于后续节段，通过实测表明采取的措施合理有 效，后续节段未出现腹板斜裂缝。 桥梁设计概况简介 采用平面杆系计算程序进行仿真分析能得到各个施工阶段的整 １本文以笔者设计的一座连续梁桥为背景，为（６８＋１２０＋６８）ｍ 体应力状态，计算可靠。同时对主跨超过百米的连续梁桥，一般 引入了专业的第三方监控，对施工过程进行详细分析、全程监测， 预应力混凝土连续箱梁。主梁为单箱单室结构，箱顶全宽１２．７５ ｍ， 跨中梁高 进一步保障了结构的安全。然而实际施工过程中箱梁却往往出 箱梁底宽６ ｍ，悬臂板长３．３７５ ｍ。主梁墩顶高７．２ ｍ，ｍ。该桥按节段施工，０号一１号梁段及合龙段采用满堂支架 现各种受力裂缝和非受力裂缝，出乎技术人员的意料。尤其是施 ３．２ 其余梁段悬臂浇筑，主梁设三向预应力。主梁１号～３号节 工早期，如０号块浇筑等，裂缝产生时结构受力较小，按常规杆系 现浇，腹板厚度０．７５ ｍ，节段梁高５．６０８ ｍ～６．５９１ ｍ。１号 理论分析难以得出有益的结论。大多数裂缝的产生是由于局部 段长３．０ ｍ，应力超出允许值，属于局部失效范畴，使得基于平截面假定的杆 节段根部及前端截面见图１，图２。 系理论分析手段失效。因此本类裂缝计算理论分析需要引入三 该桥满堂支架施工１号段后，虽未张拉预应力，却发现了沿 维有限元的方法。 预应力管道方向的腹板斜裂缝。同时在施工完２号节段时，边中 以某连续梁桥０号～２号节段为例，利用ＡＮＳＹＳ软件建立三 跨节段腹板又发现了该类裂缝。该类裂缝竖向位于腹板中部，纵 维有限元局部模，通过进行多工况下三维有限元分析，探求本桥 向位于新浇节段中间位置，沿预应力下弯管道开展，纵向未贯通 ０号一２号节段腹板出现斜裂缝的主要原因。根据计算结果提出 整个节段，如图３所示。检测表明各条裂缝宽度均小于０．１ ｍｍ， 是存在一定的收敛，所以必须建立停机期间施工管理制度，防止 降低ＴＢＭ被卡的风险。 ＴＢＭ被卡。本工程中，由于车站无法提供作业面，致使ＴＢＭ停机 ６结语 长达１．５个月。停机期间施工管理制度：１）停机时间对壁后注浆 本文对重庆复合地层中ＴＢＭ被卡的原因和对策进行了介 和盾尾密封脂注入做出具体要求，防止浆液流入盾壳四周；２）为减 绍，也对脱困措施进行了简单说明，对以后同类似的施工起到参 小由于岩层收敛而增大的摩擦力，制定相关处理措施，如停机期间 考和指导作用。在重庆地铁施工中使用了９台复合式ＴＢＭ，因此 定期掘进一定长度而使ＴＢＭ移动或在盾体四周注入膨润土等。 ５．２．５施工各方加强沟通 交流和沟通，及时应对施工中出现的问题。如开仓换刀时间、位 做好ＴＢＭ的防卡工作显得尤为重要。 参考文献： 在ＴＢＭ掘进过程中，设备部门、技术部门和生产部门要加强 ［１］靳世鹤．广州地铁硬岩段土压平衡盾构掘进施工的对策究 ［Ｊ］．都市快轨交通，２００７（３）：８１．８４． 置，注浆的时间、位置等等提前进行沟通，为减小施工风险，有必 ［２］。陈馈．重庆地铁工程盾构适应性设计［Ｊ］．建筑机械，２０１１ 要时可以调整相关工序。在本工程中，如果提前知道即将出现速 （９）：２８－３８． 曲线和圆曲线，可以提前进行开仓换刀，那么可以错开该段；开仓 ［３］ 中铁隧道装备制造有限公司．ＣＲＥＣ０１９－２３操作说明书［ｚ］． 换刀时，控制好注浆量或者不注浆，防止盾壳被浆液包裹住，从而 重庆．２０１０． Ｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｒｅａｓｏｎｓ ｆｏｒ ＴＢＭ ｊａｍｍｉｎｇ ｓｈｉｅｌｄ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｔｒａｔａ ａｎｄ ｄｉｆｉｃｕｌｔｙ．ｒｅＨｅｆ ｃａｓｅｓ ｆＴＡＮ Ｊｕｎ－ｍｉｎ （Ｓｈｉｅｌｄ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｃｏｍｐａｎｙ ｏｆＢｅｉｊｉｎｇ Ｃｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ Ｔｕｎｎｅｌ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｃｏ．， ｄ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００００．Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ＴＢＭ ｄｉｉｃｕｌｆｔｙ—ｒｅｌｉｅｆ ｃａｓｅｓ ｂｙ ａｄｏｐｔｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐ０Ｓｉｔｅ ｓｔｒａｔａｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ．ｌｏｃａｔｅｓ ｔｈｅ ｒｃａｓｏｎｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｊａｍｍｉｎｇ ｓｈｉｅｌｄ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ＴＢＭ，ａｎｄ ｐｏｉｎｔｓ ｏｕｔ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ，ＳＯ ａｓ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｈｅ ｔｐｒｅｃｉｏｕｓ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ＴＢＭ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＴＢＭ，ｊａｍｍｉｎｇ ｓｈｉｅｌｄ，ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｒｅａｓｏｎｓ，ｄｉｉｃｕｌｆｔｙ．ｒｅｌｉｅｆ 收稿日期：２０１２．０２．１３ 作者简介：高恩全（１９８１．），男，工程师 ・２０４・ 芝０ １ ２车４自 第３８卷第ｌ２期 山 西 建 筑 ３整体理论计算 平面分析模型 采用桥梁专业软件ＱＪＸ程序，根据该桥施工图进行建模，对 该桥进行施工过程及成桥状态分析。全桥采用二维平面模型。 结构模型见图４。 长度约为 ｍ。 薄 图４结构模型 ３．２施工仿真分析结果 分析表明斜裂缝出现在０节段一２节段浇筑工况，主梁受力 较小，上缘最大拉应力一０．０７ ＭＰａ，下缘最大拉应力一０．１６ ＭＰａ， 圈１ １号节段根部截面 上下缘最大压应力２．９ ＭＰａ，满足规范要求，可见主应力均小于规 匦圊 疆霎璃匾盈囹．ｎ 哑翻匝稠噩 范限值，梁体不会开裂。由杆系计算可知，平面杆系理论虽然广 泛应用于工程实践，却不能反映复杂的空间应力和局部应力。 Ｉ ： ４有限元精细化分析 ４．１计算模型 箱梁结构较为复杂，在进行有限元离散时选用适应能力较强 的三维实体单元（Ｓｏｌｉｄ６５），预应力钢束采用空间杆单元模拟 （ＬｉｎｋＳ），钢束与混凝土共同作用通过耦合节点自由度实现。为 保证单元剖分准确、细密，单元采用映射网格划分，单元的最大边 长不超过２０ ｃｍ，全模型分得节点数４７ ６００个，单元数３６ ６４９个， 其中预应力单元３ ５７２个。 图２ １号节段前端截面 ４．２荷载工况 根据２节中的分析，计算从上述几个角度出发，考察结构在 空 避 ｌ各荷载作用下的空间应力分布情况。首先根据实际情况，考虑悬 臂阶段在自重、挂篮等荷载以及预应力作用下结构的应力分布， 计算结果见分析结果工况１（见表１）。随后，在工况１的基础上 考虑不均匀收缩、水化热温差等效应，进行计算，计算结果见分析 结果工况２。不均匀收缩和水化热温差效应均可采用对新浇筑节 段进行降温的方法进行模拟，降温温差选为２Ｏ 圈３裂缝位置示意图 表１工况列表 。 ２腹板斜裂缝成因探讨 该桥裂缝出现在０号一２号节段，并且预应力张拉前就已开 展。根据计算可知，该工况条件下，梁段应力水平低，除自重、预 工况 荷载 边界条件 分析目的 ｌ 自重、预应力、挂篮等结构荷载 墩顶对称约束 分析一般结构荷载效应 ２ 收缩、水化 墩顶对称约束 热温差等效应＋工况１荷载 分析水化热、 收缩等荷载效应 应力外无其他结构荷载。开裂情况无法用杆系理论解释，属于典 ４．３计算结果 型的局部空间受力问题，应力非规则区影响导致裂缝开展。针对 ４．３．１ 工况１（自重、预应力等） 该桥的情况，并结合国内外混凝土腹板裂缝的研究，本文认为引 起腹板斜裂缝的可能原因…主要有以下几个： 平面杆系计算显示纵向正应力较小，但对于实际空间结构， 结构存在不容忽略的空间应力，局部应力必将超过杆系平均应 １）自重、挂篮引起的空间效应。２）水化热的温差效应：混凝 力。空间分析表明，除了预应力锚固区应力集中处外，模型整体 土初凝前由于处于流塑状态，先浇老混凝土对新浇节段变形约束 拉应力较小，但压应力值大于杆系计算。上缘压应力最大值为 较弱。随着龄期的增长，新老混凝土交界面约束加强，当新浇混 ４．３ ＭＰａ。腹板主应力除锚固区外，均小于１ ＭＰａ。由于预应力锚 凝土水化热引起的温度大幅降低时，便产生温度应力。当温度约 固区普通钢筋构造强大，并由锚垫板分散局部应力，该处计算应 束应力超过新浇混凝土强度时，便容易出现温度裂缝。３）不同混 力失真。因此，计算认为在常规施工荷载的作用下，主梁整体应 凝土龄期引起的不均匀收缩效应：其原理与水化热引起的温差效 力较小，主拉应力不足以使得腹板开裂。节段正应力及主应力图 应类似，为老混凝土约束新混凝土变形引起的空间拉应力。４）纵 见图５，图６。 向预应力张拉引起的空间应力效应：各向预应力的配置导致梁截 ４．３．２工况２（水化热、收缩效应） 面应力场复杂化，存在一些应力集中区域。平面计算不能准确的 从结构收缩效应和水化热温差效应的原理可知，两者在受力 反映预应力效应对结构的影响。５）结构削弱、应力集中：结构削 机理上存在一定的共性，均为老混凝土约束了新混凝土的变形， 弱并不直接产生拉应力，但其引起应力集中，放大了其他外荷载 两者均可以采用将新浇混凝土单元进行降温来模拟。其中降温 效应。大量实例也证实裂缝往往首先产生在结构削弱处，如预应 荷载包含了等效收缩温差和等效水化热温差两项。等效收缩温 力管道周边、横隔板人孔处、施工预留孔四周等。 差按现行规范进行计算，主要考虑干燥收缩等。根据表２计算， 爹 ８１ 年１４２ 高恩全等：连续梁施工期腹板斜裂缝成因分析和防治措施 ・２０５・ 收缩等效为温差效应后，降温荷载可取０．６５ ｏＣ。水化热温差由 布一致。因此认为该类腹板斜裂缝产生的主要原因是水化热弓 于水化热的作用温度升高，混凝土凝固后，当其降温时产生温度 起的温差应力。 收缩，取降温为２０℃。 一．ｔｏｏＥ＋０８ 一．７４４Ｅ＋０７ 一．４８９Ｅ＋０７ 一．２３３Ｅ＋０７ ２２２ ２２２ ８７２Ｅ＋０７ 一．６１７Ｅ＋０７ 一．３６１Ｅ＋０７ 一．１０６Ｅ＋０７ 一．１５０Ｅ＋０７ 一．图８主应力矢量图 图５节段正应力图ｌ单位：Ｐａ） Ｎ０ＤＡＬ Ｓ０ＬＵｎＯＮ ＳＴＥＰ＝ｌ ＳＵＢ＝ｌ １１ＭＥ＝Ｉ ｙ ５防治措施研究及应用 鉴于水化热是该桥出现腹板沿预应力管道方向斜裂缝的主 要原因，本文提出了以降低施工阶段水化热效应、引导释放温差 Ｓｌ ｆＡＶＧ） ＤＭＸ＝．００１ ９１４ ＳＭＮ＝－＿．３６４Ｅ＋０８ ＳＭＸ＝．４３９Ｅ＋０８ — 表２收缩应变计算表 计算时间范围／ｄ一 收缩应变 应力为主，经济、合理地加强临时构造措施为辅的防治措施。１） 从材料人手，优化配合比。适当的掺加粉煤灰和矿物掺合料将降 低水泥水化放热速度，缓解高性能混凝土水泥用量大及标号高引 起的早期放热量，降低温度应力。２）混凝土的合理浇筑和养护。 控制混凝土拆模时间，避免出现拆模后温度骤降的情况。进一步 加强养护工作，控制混凝土温差，保持混凝土处于湿润状态，引导 一５ｏｏＯ００ —１６６ ６６７ １６６ ６６７ ５００ ０００ ８３３ ３３３ ３３３ ３３３ ０ ３３３ ３３３ ６６６ ６６７ ．ＩＯＯＥ＋ｏ７ —图６节段主应力图【单位：Ｐａ） 项目 施工工期 温差应力缓慢释放。养护措施主要有蒸汽养护、桥面覆盖草垫、 帆布包裹混凝土表面等 ］。３）加强临时构造措施。通过调整箍 Ｅ．Ｏ６ ｄ 起始龄期 Ｉ 结束龄期 筋间距和加大钢筋直径，加强结构抵抗水化热产生的临时温差应 力的性能。该桥后续施工阶段加强了水化热控制和后期养护，实 测表明后续３号～１４号段均未出现腹板斜裂缝，验证了本文建议 措施的合理性，进一步表明本文分析方法和分析结论是有效的、 ０号节段 １号节段 差值 ６０ １０ ６３ ３ ｌ ｌ ７０ １０ ０．４８９ ７ ６．５ 根据上述计算，将等效温差荷载共计２０．６５℃代入有限元模 可信的。 型，计算得节段正应力云图和主应力矢量图如图７，图８所示。结 构主应力分布与实际情况较为符合。 Ｎ０ＤＡＬ Ｓ０ＬＵＴ１０ ｓ１ＥＰ＝Ｉ ＳＵＢ＝Ｉ ⅡＭＥ－－－Ｉ ６结语 １）平面杆系程序分析结果不能给出箱梁开裂部位应力状态 的确定性解答，使结构设计存在安全隐患。在桥梁设计过程中， 应注重桥梁空间应力，特别是局部应力的精细化分析。２）水化热 温差效应是本类裂缝开展的主要原因之一，应加强桥梁温度应力 验算，特别是空间温度效应的影响分析。３）施工过程中应通过采 用合理的配合比、限制水化热，并通过精心养护引导水化热温度 缓慢释放，降低温差应力，保证施工早期结构的安全性。 参考文献： ［Ｉ］ 沈旭东．支架现浇预应力混凝土箱梁开裂原因分析［Ａ］．第 十八届全国桥梁学术会议论文集（下册）［Ｃ］．２００８． ２８７（５）：９０－９３． 桥隧工程，２０１１（５）：１３—１５． Ｓｔ（ＡＶＧ Ｊ ＤＭＸ＝．００２ ４２５ ＳＩ＝．２９４Ｅ＋０７ ＳＭＮ＝一－３６８Ｅ．ｍ８ ＳＭＸ＝．４４ＯＥ＋Ｏ８ Ｓｌ－３ ０８３ ５１０ ＳＩ＝．２３８Ｅ＋０７ —５００ ０００ ５００ ０００ ．ＩＳＯＥ＋０７ ．２５０Ｅ ）７ ．３５０Ｅ＋０７ ０ １００Ｅ＋０７ ．２００Ｅ＋０７ ．３００Ｅ＋０７ ．４００Ｅ＋０７ 图７节段主应力云图（单位：Ｐａ） ４．３．３分析总结 小，小于混凝土开裂应力，由此可知在常规施工荷载作用下，不会 根据有限元分析可知，工况１计算的正应力和主应力均较 ［２］ 张国志．混凝土早期开裂评价指标研究［Ｊ］．混凝土，２００８， 出现该桥沿管道方向的腹板斜裂缝。进一步考虑收缩、水化热荷 ［３］ 李俊升．混凝土箱梁水化热温度试验分析与裂缝控制［Ｊ］． 载后，计算主拉应力大幅增大，在新老节段处达３．０ ＭＰａ，超出混 凝土强度。对比主拉应力云图和现场裂缝分布可知，主拉应力较 ［４］ 陈小勇，马新锋．浅析混凝土桥粱裂缝处治的方法［Ｊ］．山西 大区域位于新浇节段近老节段处，且位于腹板中间区域，与裂缝分 建筑，２０１１，３７（４）：１６８—１６９． Ｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｒｅａｓｏｎｓ ｆｏｒ ｃｒａｃｋｓ ｏｎ ｗｅｂ ｐｌａｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｄｕｒｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｅｒｉｏｄ ｏｆ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｂｅａｍ ａｎｄ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｓ ＧＡＯ Ｅｎ－ｑｕａｎ ＺＨＥＮＧ Ｙｏｎｇ－ｗｅｉ ＷＡＮＧ ＦｅⅡｇ－ｐｉｎｇ （Ｚｈｅｊｉａｎｇ ｒｒａｆｉ￣ＰｌｆａｎｎｉｎｇＤｅｓｉｇｎ ａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１０００６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｒａｃｋｓ ｏｎ ｔｈｅ ｗｅｂ ｐｌａｔｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｅａｒｌｙ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｔａｇｅ ｏｆ ｓｏｍｅ ｌａｒｇｅ－ｓｐａｎ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｂｅａｍ ｂｒｉｄｇｅｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｕｎｄｅｒ－ ，ｔａｋｅｓ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｔｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｃｏｎｓｉｄｅｒｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｒｅａｓｏｎｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｒａｃｋｓ ｏｎ ｔｈｅ ｗｅｂ ｐｌａｔｅｓ ａｒｅ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｔｉｏｎ ｈｅａｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｆｆｅｒ－ ｅｎｃｅ ｅｆｆｅｃｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｕｎｅｖｅｎ ｓｈｒｉｎｋａｇｅ，ｅｌｉｍｉｎａｔｅｓ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓｔｒｅｓｓｅｄ ｆａｃｔｏｒｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｇｒａｖｉｔｙ ａｎｄ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓａｎｄ ｐｏｉｎｔｓ ｏｕｔ ｔｈｅ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅ ，ｍｅａｓｕｒｅｓ，ＳＯ ａｓ ｔｏ ｒｅｓｔｒａｉｎ ｔｈｅ ｃｒａｃｋｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｈｅｒｍａｌ ｓｔｒｅｓｓ，ｃｒａｃｋｓ ｏｎ ｗｅｂ ｐｌａｔｅ，ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｂｅａｍ，ｐａｒｔｉｌ ａｎａａｌｙｓｉｓｓｐａｃｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ，