拱脚混凝土水化温度应力与裂缝控制研究

高明洲 杨家仕

(中铁九局集团有限公司，辽宁 沈阳 110051)

拱脚混凝土水化温度应力与裂缝控制研究

高明洲 杨家仕

(中铁九局集团有限公司，辽宁 沈阳 110051)

以杭长客专乌溪江钢管混凝土提篮式系杆拱桥为背景，采用现场测试与数值模拟分析相结合的研究方法，对混凝土拱脚温度应力及可能产生的早期表面温度裂缝宽度进行了分析与预测，研究了控制早期开裂的施工技术措施以及构造措施，以减少早期温度应力，降低裂缝的产生几率。

拱脚，混凝土，温度应力，裂缝控制

1 概述

开展拱桥拱脚段混凝土早期裂缝问题的系统分析研究，理清早期裂缝产生的原因和机理，并在此基础上研究其控制对策，力争突破困扰桥梁施工技术人员的技术难题，其研究成果具有重大的理论意义和实用价值。

杭长客专乌溪江钢管混凝土提篮式系杆拱桥主桥为下承式钢管混凝土提篮式系杆拱桥，全长132 m，计算跨径128 m，矢跨比为f/l=1/5，拱肋平面内矢高25.6 m，拱肋采用悬链线线形，悬链线方程为(拱肋平面)：

y=f(chkξ-1)/(m-1)。

拱肋采用哑铃形钢管混凝土截面，系梁按整体箱梁布置，拱脚顺桥向8.0 m范围内设成实体段，吊杆采用尼尔森体系，两拱肋之间设置五道横撑，拱顶处设X形撑，拱顶至两拱脚间设4道K形横撑(见图1)。

2 拱脚段混凝土水化温度与应力测试

2.1 测试系统与设备

JMZR—2000无线自动综合测试系统，该系统由计算机系统软件、无线收发仪、无线采集单元等组成。传感器(温度计、应变计)的引线采用水工电缆，在每个截面汇集后再集中到某位置引出，通过JMZR—2000无线自动综合测试系统连接到计算机。

2.2 测点布置与测试过程

拱脚试验段测点总体布置图如图2所示。

温度场测试结果见图3～图5。

应力场测试结果见图6。

根据以上测试结果可知：

1)混凝土水化温度测试结果符合一般规律，即早期温度高，后期缓慢下降，同时由于受外部环境温度的影响而呈现日波动现象，特别是拱脚混凝土表面温度的日波动现象非常明显。

2)表面测点在早期会出现拉应力，最大名义拉应力达到2.5 MPa，出现在混凝土浇筑后5 d左右。考虑到混凝土收缩等影响，实际拉应力比名义拉应力要小，但由于拉应力值较大，因此拱脚段混凝土表面出现早期裂缝的可能性是存在的。

3)不同于一般大体积混凝土表面早期受拉后期变为受压的情况，拱脚段混凝土的测试结果表明有部分表面应力测点在后期温降收缩后依然表现为拉应力。拱肋钢管预埋在混凝土内，拱脚段内的拱肋钢管将本为整体的混凝土隔离，这是拱脚段混凝土易于开裂的一个主要影响因素。

3 温度与应力场数值模拟与分析

根据拱脚有限元模型、拱脚有限元模拟结果及拱脚裂缝模拟结果，可以估算得裂缝平均宽度为：

估算其最大裂缝宽度为：

wmax=2×wm=0.066 mm。

通过温度场和应力场的对比分析发现，温度场的实测数据与理论计算结果实测基本吻合，应力场的实测数据与理论计算结果存在一定的偏差，但是温度和应力变化规律是一致的，说明计算模型的正确，模拟工况与实际过程相符。

4 拱脚裂缝控制措施

4.1 控制措施

优化混凝土选材、控制混凝土温度及加强施工管理。对拱脚表面采用木模板、钢模板以及油毛毡进行保温措施时，计算得到的拱脚表面应力最大时刻，表面主拉应力为4.3 MPa；对拱脚表面设置1 cm厚泡沫塑料板进行裂缝控制，表面主拉应力为2.5 MPa，但其应力值仍然超过此时的混凝土强度；继而对拱脚表面采用2 cm厚的泡沫塑料板，计算得到原拱脚表面应力最大时刻对应的表面主拉应力为1.6 MPa，小于此刻的混凝土强度，因此可有效的避免早期裂缝的出现。采用这种保温的措施来避免开裂，实质是通过增加表面的温度来避免较大的内外温差。因而，施工过程中要注意保证保温的时间，使拱脚缓慢降温，避免过大内外温差的出现。

4.2 控制开裂措施

在对裂缝进行模拟的基础上，提出了防治拱脚表面裂缝的措施，即在拱脚表面布置与裂缝伸展方向相垂直的精轧螺纹钢，通过张拉预应力的方法加强拱脚与系梁的整体性，消除主拉应力。

5 结语

在对温度场与温度应力场分析理论总结概括的基础上，提出了与有限元软件相结合的方法。混凝土水化温度测试结果符合一般规律，因此拱脚段混凝土表面出现早期裂缝的可能性是存在的。如早期出现裂缝，那么后期的压应力也有使裂缝减小甚至闭合的可能。可以减小早期温度应力、降低产生早期裂缝的几率。研究成果可为类似工程提供借鉴。

Study on temperature stress and crack control of arch springing concrete hydration

Gao Mingzhou Yang Jiashi

(ChinaRailway9thBureauGroupCo.,Ltd,Shenyang110051,China)

Taking the basket handle tied arch bridge of Wuxijiang steel pipe concrete of Hang-Chang passenger special railway line as the background, applying the research methodology of field testing in combination with numerical simulation analysis, the paper analyzes and predicts concrete arch springing temperature stress and early surface temperature cracking width, and makes a study of controlling early cracking construction technology and structural measures, with a view to reduce early temperature stress and reduce cracking ratio.

arch springing, concrete, temperature stress, crack control

2015-01-26

高明洲(1971- )，男，高级工程师

1009-6825(2015)10-0150-02

U445.57

A