CN111705666A - 一种预应力混凝土现浇连续箱梁早期裂缝控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种预应力混凝土现浇连续箱梁早期裂缝控制方法，通过监测连续箱梁的早期水化热温度场值和早期应变值，在预应力混凝土现浇连续箱梁采用满堂支架二次浇筑时，先后分别获取浇筑底板和腹板的浇筑时间及浇筑顶板和翼缘板的浇筑时间，以两次浇筑时间差值作为分层浇筑龄期差，得到适用当前连续箱梁的最优分层浇筑龄期差，建立预应力混凝土连续箱梁的有限元模型，拟合温度荷载曲线性；利用已验证正确的有限元模型，模拟连续箱梁的现浇施工过程以及评估不同的初张时间和初张拉控制应力对箱梁顶板早期开裂的影响，得到对该连续箱梁顶板早期裂缝控制效果较好的优化后初张施工工艺，利用该优化后初张施工工艺指导针对连续箱梁的后续施工。

Description

一种预应力混凝土现浇连续箱梁早期裂缝控制方法
技术领域
本发明涉及混凝土结构裂缝控制领域，尤其涉及一种预应力混凝土现浇连续箱梁早期裂缝控制方法。
背景技术
目前，预应力混凝土连续箱梁在桥梁工程中应用广泛。在施工中常采用满堂支架二次浇筑的施工工艺。具体地，第一次浇筑底板和腹板，第二次浇筑顶板和翼缘板。
在相关实际工程中，施工人员在拆除模板后却发现，箱梁顶板存在着大量沿横桥方向和纵桥方向的裂缝，其中沿横桥方向的裂缝较多。这些在现浇连续箱梁顶板早期出现的裂缝会严重影响桥梁结构使用的耐久性和营运的安全性。但是，目前针对现浇连续箱梁顶板早期裂缝的控制方法多为优化混凝土配合比、优化混凝土生产或者对混凝土保温保湿养护等，但对于裂缝的防控效果都不尽人意。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种方便施工以及控裂效果好的预应力混凝土现浇连续箱梁早期裂缝控制方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种预应力混凝土现浇连续箱梁早期裂缝控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，监测连续箱梁的早期水化热温度场值和早期应变值；其中，所述连续箱梁的箱室顶板中心处、顶腹板交接处和腹板顶部均具有监测所述早期水化热温度场值和早期应变值的监测点，各监测点内埋入有应变计；
步骤2，在预应力混凝土现浇连续箱梁采用满堂支架二次浇筑时，先后分别获取浇筑底板和腹板的第一浇筑时间以及浇筑顶板和翼缘板的第二浇筑时间，得到第一浇筑时间与第二浇筑时间之间的浇筑时间差值，将该浇筑时间差值作为分层浇筑龄期差；
步骤3，建立预应力混凝土连续箱梁的有限元模型，计算分析得到连续箱梁出现最少裂缝数量时所对应的分层浇筑龄期差，并将所得该分层浇筑龄期差作为适用当前连续箱梁的最优分层浇筑龄期差；其中，在所述的有限元模型中，混凝土采用塑性损伤模型，用以评估不同的分层浇筑龄期差对箱梁顶板早期开裂的影响；
步骤4，建立预应力混凝土连续箱梁的有限元模型，利用早期水化热温度场值监测数据拟合温度荷载曲线，并验证建立的该有限元模型的正确性；
步骤5，利用已验证正确的有限元模型，模拟所述连续箱梁的现浇施工过程，并根据所述有限元模型评估不同的初张时间和初张拉控制应力对箱梁顶板早期开裂的影响；其中，所述对箱梁顶板早期开裂的影响为初张时间和初张控制应力对箱梁顶板早期的开裂界面产生的最大拉应力；
步骤6，根据所述连续箱梁在现浇施工过程的早期抗压强度和弹性模量，得到对该连续箱梁顶板早期裂缝控制效果较好的优化后初张施工工艺；其中，所述优化后初张施工工艺包括优化后初张时间和优化后初张拉控制应力，所述优化后初张时间连续箱梁顶板在现浇后的早期出现最少裂缝时所对应的时间，所述优化后初张拉控制应力为预应力初张产生的压应力大于温差引起的拉应力时所对应的压应力；所述优化后初张时间为箱梁顶板早期开裂界面所产生的最大拉应力具有最小值时所对应的初张时间，所述优化后初张拉控制应力为箱梁顶板早期开裂界面所产生的最大拉应力具有最小值时所对应的初张拉控制应力；
步骤7，采用所述优化后初张施工工艺指导针对所述连续箱梁的后续施工。
改进地，在所述预应力混凝土现浇连续箱梁早期裂缝控制方法中，在步骤3中，利用软件MIDAS FEA建立预应力混凝土连续箱梁的有限元模型。
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过分别获取浇筑底板和腹板的浇筑时间及浇筑顶板和翼缘板的浇筑时间，以两次浇筑时间差值作为分层浇筑龄期差，得到适用当前连续箱梁的最优分层浇筑龄期差，建立预应力混凝土连续箱梁的有限元模型，拟合温度荷载曲线性，利用已验证正确的有限元模型，模拟连续箱梁的现浇施工过程以及评估不同的初张时间和初张拉控制应力对箱梁顶板早期开裂的影响，得到对该连续箱梁顶板早期裂缝控制效果较好的优化后初张施工工艺，利用该优化后初张施工工艺指导针对连续箱梁的后续施工，从而不仅针对连续箱梁早期出现的裂缝做了较好的控裂，而且也方便了施工。
附图说明
图1为本发明实施例中预应力混凝土现浇连续箱梁早期裂缝控制方法的流程示意图；
图2为本发明实施例的箱梁横截面及预应力钢束配置图；
图3为本发明实施例的箱梁横截面测点布置图；
图4为本发明实施例的张拉施工阶段连续箱梁的截面S1所对应的水化热温度场监测结果；
图5为本发明实施例的张拉施工阶段连续箱梁的截面S2所对应的水化热温度场监测结果；
图6为本发明实施例的张拉施工阶段连续箱梁的截面S3所对应的水化热温度场监测结果；
图7为本发明实施例的张拉施工阶段连续箱梁的截面S1所对应的早期应变监测结果；
图8为本发明实施例的张拉施工阶段连续箱梁的截面S2所对应的早期应变监测结果；
图9为本发明实施例的张拉施工阶段连续箱梁的截面S3所对应的早期应变监测结果。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本实施例以某高速公路连接线工程作为例子，对该发明中的预应力混凝土现浇连续箱梁早期裂缝控制方法做出说明。
该高速公路连接线工程采用一联三跨预应力混凝土连续箱梁，该箱梁跨径为36m+42m+36m，宽度为25.5m，单箱三室，梁高为2.6m，采用C50混凝土。其中，42m跨的跨中横截面和预应力钢束的布置如图2所示，每束预应力钢绞线均为
Figure BDA0002545190490000031
并选取3个截面S1、截面S2和截面S3，这三个截面分别位于两端和跨中，截面测点划分为顶腹板交接处测点、箱室顶板中心处测点和腹板顶部测点这三类；每个截面布设15个监测点，监测点布设情况如图3所示，在各监测点埋入应变计，以对连续箱梁的早期水化热温度场和早期应变做出连续监测。
在施工过程中，该预应力混凝土现浇连续箱梁采用满堂支架二次浇筑，第一次浇筑底板和腹板，第二次浇筑顶板和翼缘板，两次浇筑之间的时间间隔为9天，即这里的时间间隔9天为分层浇筑龄期差；
采用有限元软件ABAQUS建立连续箱梁的有限元模型，混凝土采用塑性损伤模型，研究分层浇筑的顶板混凝土在收缩和水化温降共同影响下的损伤情况，评估不同的分层浇筑龄期差对箱梁顶板早期开裂的影响。其中，该有限元模型建立的工况如下：
工况1，3天；
工况2，5天；
工况3，7天；
工况4，9天；
工况5，12天；
工况6，15天。
结果表明：箱梁分层浇筑龄期差的不同，顶板出现的裂缝数量也不尽相同。将各工况裂缝总数量相比较，可以发现，随着分层浇筑龄期差的增大，裂缝总数量也随之递增。例如，工况1时，裂缝数量最少，有153条；工况6时，裂缝数量最多，达到199条；工况1与工况6这两个工况之间的裂缝总数量相差46条，工况6比工况1的裂缝数量增多30％，其他工况裂缝总数量处于这两种工况(工况1和工况6)之间。通过分析各工况顶板裂缝总数量，可知分层浇筑龄期差对顶板出现早期裂缝的程度具有很明显的影响，通过缩短分层浇筑龄期差，能有效减少箱梁顶板早期裂缝数量，再结合箱梁现场施工的实际情况，将现浇箱梁的分层浇筑龄期差控制在5～9天内，即为优化后分层浇筑龄期差，从而利用该优化后分层浇筑龄期差指导后续的施工。
顶板混凝土浇筑完成3天后，依次对N3、N1、预应力钢束进行初张拉，张拉控制应力为700MPa；顶板混凝土浇筑完成7天后依次对N3、N4、N2、N5、N1预应力钢束进行终张，张拉控制应力为1395MPa。
根据张拉阶段对现浇箱梁混凝土水化热温度场如图4～6所示及早期应变的监测结果如图7～9所示，在箱梁水化热进行到温降阶段时，混凝土应变开始逐渐增大，箱梁顶板开裂的风险增大，采取预应力钢束分阶段张拉施控制顶板混凝土的水化热反应。
采用有限元软件MIDAS FEA建立三维实体模型，利用早期温度实测数据(即针对连续箱梁的早期水化热温度场值监测数据)拟合温度荷载曲线，同时考虑施工阶段边界条件和混凝土早龄期材料特性的变化，分析箱梁早期应变变化，并将计算结果与实测数据进行对比，从而验证该三维实体模型的正确性；利用有限元模型对预应力钢束分阶段张拉中的初张工艺(初张时间和初张控制应力)进行优化。
以工况1：初张拉时间为顶板浇筑后第3天为基准，评估不同初张时间对箱梁的影响。初张拉时间取为顶板浇筑后第2天、第4天和第5天，分别对应工况3～5。其中，终张拉时间均为顶板浇筑后第7天。
结果表明：工况4和工况5所对应的各控制截面最大纵向应力明显大于工况1和工况3，工况1和工况3二者应力相差不大；工况3，工况1，工况4和工况5纵向最大应力分别为2.61MPa、2.84MPa、4.33MPa和5.52MPa。对于不同初张时间，随着初张时间的推迟，箱梁早期应力越大。
箱梁早期应力随时间逐渐变大，经过预应力初张，各截面应力均有明显下降段，随着初张时间的推迟，初张前箱梁应力愈大，且工况3最大应力出现在终张前，而工况1，工况4和工况5最大应力出现在初张前，这说明工况3经过初张拉有效降低了初张前应力，但随着分层浇筑龄期差的增加，应力逐渐增大，很快超过了初张前应力。各种工况下箱梁最终应力相差不大，这说明初张时间对结构最终受力状态影响极小。
综合上述结果分析，随着初张时间的推迟，各截面拉应力越大，对裂缝控制越不利。从应力发展角度来说初张时间选为顶板浇筑后第2天和第3天对裂缝控制都起到了很好的效果，同时考虑到在混凝土浇筑后前两天其早期弹性模量、抗压强度等力学性能指标尚且较小，此时若进行预应力张拉可能会对结构造成不良影响，因此初张时间选择在第3天较为合理，即所得优化后的初张时间，以指导后续的施工。
采用上述有限元箱梁桥模型分析不同初张控制应力对箱梁的影响，其中，所述对箱梁顶板早期开裂的影响为初张时间和初张控制应力对箱梁顶板早期的开裂界面产生的最大拉应力；初张拉控制应力分别取为420MPa(30％σcon)、560MPa(40％σcon)、840MPa(60％σcon)，分别对应工况6～8，终张控制应力按实际工程要求均为1395MPa。
结果显示，工况6和工况7所对应各控制截面最大纵向应力明显大于工况1和工况8，工况1和工况8最大应力完全一致；工况6，工况7，工况1和工况8的纵向最大应力分别为3.96MPa、3.23MPa、2.84MPa和2.84MPa，均出现在跨端截面。由此可见，对于不同的初张控制应力，随着控制应力的增大，各截面最大拉应力逐渐减小，初张效果越明显；但当初张控制应力大于700MPa后，无论初张控制应力变化与否，各截面最大拉应力恒定不变，初张控制应力的增大对箱梁最大应力的出现不再起作用。箱梁早期应力随时间逐渐变大，经过预应力初张，各截面应力均有明显下降段，初张控制应力的大小改变了终张前箱梁的应力，随着初张控制应力的增大，终张前箱梁应力越小。
当初张控制应力分别为420MPa、560MPa、700MPa和840MPa时，终张前应力分别为3.96MPa，3.17MPa，2.43MPa，1.69MPa。可得工况1和工况8最大应力出现在初张前，而工况6和工况7最大应力出现在终张前，这表明初张控制应力小于700MPa时，初张使箱梁的应力减小量不足以抵消初张后应力的增加，初张控制应力为700MPa及以上时，初张使箱梁应力减小量足以抵消初张后应力的增加。从这个角度来说，初张控制应力不应低700MPa。也就是说，初张控制应力大于或者等于700MPa时，对于箱梁结构造成的影响较小。当然，各种工况下箱梁最终应力相差不大，这说明初张控制应力对结构最终受力状态影响极小。
综合上述结果分析，随着初张控制应力的增大，各截面最大拉应力逐渐减小，从应力发展角度来说，初张控制应力选为700MPa和840MPa对裂缝控制都起到了很好的效果，同时考虑到早龄期混凝土的特性，张拉控制应力不宜过大，初张控制应力取为700MPa较为合理。即所得优化后的初张拉控制应力，指导后续的施工。因此，以700MPa的初张拉控制应力以及选取第3天作为初张时间的初张施工工艺作为优化后初张施工工艺，从而指导针对连续箱梁的后续施工。也就是说，优化后初张时间为箱梁顶板早期开裂界面所产生的最大拉应力具有最小值时所对应的初张时间，优化后初张拉控制应力为箱梁顶板早期开裂界面所产生的最大拉应力具有最小值时所对应的初张拉控制应力。

Claims (2)

1.一种预应力混凝土现浇连续箱梁早期裂缝控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，监测连续箱梁的早期水化热温度场值和早期应变值；其中，所述连续箱梁的箱室顶板中心处、顶腹板交接处和腹板顶部均具有监测所述早期水化热温度场值和早期应变值的监测点，各监测点内埋入有应变计；
步骤2，在预应力混凝土现浇连续箱梁采用满堂支架二次浇筑时，先后分别获取浇筑底板和腹板的第一浇筑时间以及浇筑顶板和翼缘板的第二浇筑时间，得到第一浇筑时间与第二浇筑时间之间的浇筑时间差值，将该浇筑时间差值作为分层浇筑龄期差；
步骤3，建立预应力混凝土连续箱梁的有限元模型，计算分析得到连续箱梁出现最少裂缝数量时所对应的分层浇筑龄期差，并将所得该分层浇筑龄期差作为适用当前连续箱梁的最优分层浇筑龄期差；其中，在所述的有限元模型中，混凝土采用塑性损伤模型，用以评估不同的分层浇筑龄期差对箱梁顶板早期开裂的影响；
步骤4，建立预应力混凝土连续箱梁的有限元模型，利用早期水化热温度场值监测数据拟合温度荷载曲线，并验证建立的该有限元模型的正确性；
步骤5，利用已验证正确的有限元模型，模拟所述连续箱梁的现浇施工过程，并根据所述有限元模型评估不同的初张时间和初张拉控制应力对箱梁顶板早期开裂的影响；其中，所述对箱梁顶板早期开裂的影响为初张时间和初张控制应力对箱梁顶板早期的开裂界面产生的最大拉应力；
步骤6，根据所述连续箱梁在现浇施工过程的早期抗压强度和弹性模量，得到对该连续箱梁顶板早期裂缝控制效果较好的优化后初张施工工艺；其中，所述优化后初张施工工艺包括优化后初张时间和优化后初张拉控制应力，所述优化后初张时间连续箱梁顶板在现浇后的早期出现最少裂缝时所对应的时间，所述优化后初张拉控制应力为预应力初张产生的压应力大于温差引起的拉应力时所对应的压应力；所述优化后初张时间为箱梁顶板早期开裂界面所产生的最大拉应力具有最小值时所对应的初张时间，所述优化后初张拉控制应力为箱梁顶板早期开裂界面所产生的最大拉应力具有最小值时所对应的初张拉控制应力；
步骤7，采用所述优化后初张施工工艺指导针对所述连续箱梁的后续施工。
2.根据权利要求1所述的预应力混凝土现浇连续箱梁早期裂缝控制方法，其特征在于，在步骤3中，利用软件MIDAS FEA建立预应力混凝土连续箱梁的有限元模型。
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