预制混凝土T梁早期裂缝原因分析

第３４卷第５期　武汉工程大学学报　Ｖｏ１．３４　Ｎｏ．５　２０１２年０５月　Ｊ．　Ｗｕｈａｎ　Ｉｎｓｔ．Ｔｅｃｈ．　Ｍａｖ　２０１２　文章编号：１６７４—２８６９（２０１２）０５—００２３—０４　预制混凝土Ｔ梁早期裂缝原因分析　姜增国　，姜川２，郭玉峰　，黄涛　（１．武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北武汉４３００７０；　２．中建三局总承包公司，湖北武汉４３００７０）　摘要：以某公路大桥施工过程中一榀跨径４０　ｍ的预应力混凝土Ｔ梁开裂的工程实际为例，采用有限元方法　探讨了结构的损伤原因．采用有限元软件建立了该预应力Ｔ梁的有限元模型，分析计算了结构浇注后张拉前　这段时间的受力情况．模拟了结构的时变温度效应及其对结构承载能力的影响．通过系统的参数分析研究了　结构产生裂缝的原因、机理及裂缝的特征．研究表明浇筑温差及混凝土自身水化热引起的温度应力是导致结　构出现裂缝的主要原因．研究结论对预应力混凝土Ｔ梁的裂缝防治提出了具有实际意义的方法，可以适用于　其它类似结构的开裂分析．　关键词：预应力混凝土；Ｔ梁；裂缝；性能评估　中图分类号：ＴＵ３７５．１　文献标识码：Ａ　ｄｏｌ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４－２８６９．２０１２．０５．００７　Ｏ　引　言　因摩擦、粘结作用产生的剪力阻止梁体缩短，这等　于使梁体受到拉伸，对底缘的拉伸大，向上渐减；　预应力混凝土Ｔ梁张拉前产生裂缝是一个复　其在梁长截面上引起的水平拉应力也是底缘最　杂、常见而又难以彻底根治的问题．近年来在基础　大，向上渐减．此拉应力由梁体混凝土及钢筋的水　设施建设中桥梁的比重越来越大，预应力混凝土Ｔ　平拉力来平衡，当此拉应力大于梁体混凝土的抗　梁的使用随着高强混凝土技术、预应力技术的发　拉强度时，即产生竖向裂缝．４０　ｍ　Ｔ梁底板配筋率　展成熟也很普遍．由于各种各样的原因施工过程　最高，其次为顶板，腹板配筋率最小，仅配置构造　中预应力Ｔ梁张拉前在一些薄弱部位产生了贯穿　钢筋，故竖向裂缝一般出现在腹板部位．　裂缝而导致整片梁报废的情况时有发生，造成了　１．２温度应力　不小的经济损失．因此，对预应力混凝土Ｔ梁早期　早龄期混凝土温度应力主要由两个因素引　裂缝的研究显得极有意义．　起．一个是早期混凝土水化热引起的温度应力，另　１　预制混凝土Ｔ梁早期裂缝产生机　一个是混凝土浇筑环境温度变化引起的温度　理分析　应力．　因混凝土水化热引起的温度应力大体分为内　预制混凝土Ｔ梁的早期裂缝是在梁体拆模后　部约束应力和外部约束应力．内部约束应力是因　张拉前出现的裂缝，这种裂缝产生的原因是多方　为混凝土温度分布的不平衡约束了结构体积的膨　面的¨　，但从本质上讲都是由于所产生的混凝　胀而发生的应力．在水化反应初期，混凝土表面温　土拉应力超过自身的抗拉强度时引起的．而混凝　度和内部温度差使混凝土表面发生张拉应力；在　土早期的抗拉强度和受拉弹性模量都是处于发展　温度下降阶段因为内部收缩变形大于表面，所以　过程的，因此有必要预测早期混凝土抗拉强度和　在混凝土内部发生张拉应力．内部约束应力的大　弹性模量随龄期的发展规律．　小与结构物内外温度差成比例．外部约束应力是　１．１　Ｔ梁底座约束和沉降引起　因为外部边界约束了正在浇筑的混凝土的温度变　由于台座的地基承载力不足，台座的强度、刚　形而发生的应力．外部约束的影响与接触表面的　度偏小，浇注混凝土后台座发生不均匀的沉降变　宽度和外部约束刚度有关．　形而引起台座上的Ｔ梁开裂　ｊ．　由于混凝土浇筑环境温度发生变化，混凝土　梁体受到底模约束，在梁底与底模接触面上　表面与内部温度出现差值，从而引起温度应力．一　收稿日期：２０１２—０２—２１　作者简介：姜增国（１９６０一），男，山东莱州人，教授，博士．研究方向：桥梁性能检测与评价　武汉工程大学学报　第３４卷　旦混凝土表面与内部温差达到一定数值，温度应　力便有可能超过此时的混凝土抗拉强度，出现温　度裂缝．早龄期混凝土环境温度变化主要指当地　昼夜温差，因此是否会产生温度裂缝与气候和地　理环境有关．　１．３收缩应力　预应力混凝土Ｔ梁一般都是采用高强混凝　土．高强混凝土配制时通常都使用较高的胶凝材　料总量，并且掺加有大量磨细矿物掺合料，以达到　高强度的目的．上述措施也引起了较大的混凝土　自收缩．从混凝土新拌开始一直持续到混凝土硬　化后的较长一段时间内都有可能发生收缩，工程　上表现为混凝土的开裂趋势增加　Ｊ．　收缩是混凝土内部相对湿度随水泥水化进展　而降低，造成毛细孔中的水分不饱和而生产压力　差．当压力差为负值时引起的收缩，水灰比很低的　高强度混凝土能提供水泥水化的自由水较少，早　期强度的发展率会使自由水消失很快，在外界补　充水分不足的情况下，水泥水化不断消耗水分而　且干燥产生自身的原始裂缝．混凝土自收缩的大　小与水灰比的大小、细掺料的活性、水泥细度等因　素有关　．　２　工程实例　湖北某高速公路特大桥位于恩施野三关处，　该地属云贵高原东北边缘“鄂西高原”，亚热带大　陆性夏热潮湿气候区，具明显的大陆性气候特征．　四季分明，年平均气温ｌ６～１７℃，七、八月为炎热　夏季，月平均气温为２７℃，最高气温达４１℃．该　地昼夜温差大，最高达１５～２０℃．　该桥上部结构使用了４０　ｍ预应力混凝土先简　支后结构连续Ｔ梁．Ｔ梁的施工工艺均采用现场预　制吊装．Ｔ梁混凝土等级为Ｃ５０，在单幅桥横断面上　布置为５片，全桥共１３５片．预制Ｔ梁中部梁底厚　４０　ａｍ，腹板厚２０　ｃｍ，上翼缘两边厚８　ｃｍ，根部厚　２０　ｃｍ，翼板宽１９０　ａｍ，共分布５道对称横隔板．　某边跨中梁（编号３—２）在浇筑后张拉前发　现腹板出现两条竖向裂缝．经现场检测，这两条竖　向裂缝均为贯穿裂缝．一条位于跨中处，裂缝长度　约为２２０　ｃｍ，从腹板马蹄形上部一直延伸至翼缘　板底面中部；另一条位于１／４～１／２跨之间，裂缝　长度约为１８０　ａｍ，从腹板马蹄形上部开始一直延　伸至翼缘板根部．如图１．　经现场踏勘，预制该Ｔ梁的台座并没有出现　不均匀沉降情况，且台座表面为光滑的钢板，摩擦　系数小．因此Ｔ梁底座约束和不均匀沉降这个原　跨　中　线　支座中心线　图１边跨中梁（编号３－２　Ｔ梁）立面及裂缝位置示意　Ｆｉｇ．１　Ｅｌｅｖａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｒａｃｋ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｅｎｔｒａｌ　ｂｅａｍ　ａｔ　ｓｉｄｅ　ｓｐａｎ（Ｎｏ．３－２　Ｔ—ｂｅａｍ）　因可以排除．而用于浇筑该Ｔ梁的高强混凝土的　配合比同于此前浇筑的大量Ｔ梁，这些Ｔ梁并没　有出现由于配合比问题出现的收缩裂缝，该梁所　产生的两条竖向贯穿裂缝本身也不符合早期混凝　土收缩裂缝的特征，故可以排除混凝土早期收缩　应力而引起这两条裂缝．　进一步查阅施工资料发现，该梁浇筑时间为　２００７年８月３　Ｅｌ，此时正是该地区的高温时段，而　且昼夜温差高达２Ｏ度左右．因此猜测该梁腹板出　现的两条竖向贯穿裂缝可能与温差有关．　下面建立有限元模型进行模拟分析．　采用有限元结构分析软件ＭＩＤＡＳ／Ｃｉｖｉｌ对Ｔ　梁浇筑后张拉前这段时间进行模拟分析，主要分　析Ｔ梁浇筑后混凝土水化热和浇筑环境温度变化　的影响．　模型采用实体单元，把４０　ｍ　Ｔ梁共分为６４０个　实体单元，１４５８个节点．由此建立的Ｔ梁模型如　图２．　图２　４０　ｍ　Ｔ梁有限元实体模型图　Ｆｉｇ．２　Ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　４０　ｍ　Ｔ—ｂｅａｍ　混凝土采用Ｃ５０，混凝土比热取为０．２５，热传　导率取２．３；混凝土收缩徐变系数按规范（ＪＴＧ　Ｄ６２　—２００４）取值，抗拉强度和抗拉弹性模量发展函数　按ＡＣＩ标准取值．考虑浇筑时间和当地的气候条　件，浇筑环境温度按正弦函数取值，昼夜温差取为　１６ｏＣ，日平均温度取１８℃．混凝土水化热热源函数　由ＭＩＤＡＳ有限元分析软件按材料特性选取．材料　为高强硅酸盐水泥、水泥容重５００　ｋｇ／ｍ　．　利用ＭＩＤＡＳ软件水化热分析控制４０　ｍ　Ｔ梁　早龄期的温度场和应力场，建立了两个施工阶段，　施工阶段一为浇筑后拆模前，施工阶段二为拆模　后张拉前．浇筑时大气温度取２０℃．分析发现，梁　体混凝土拉应力最大值出现在拆模前后的数小时　内，按照现场实际Ｔ梁拆模时间为４８　ｈ．图３和图　４分别为浇筑后４９　ｈ时Ｔ梁体的应力场和温　武汉工程大学学报　第３４卷　比、预制梁体底座等比较重视，但是却缺乏对施工　环境的温度变化对梁体产生的影响研究．　通过对预制混凝土Ｔ梁早期裂缝的有限元分　武汉：武汉理工大学，２００５．　金贤玉，沈毅，李宗津．高强混凝土的早龄期特性试　验研究［Ｊ］．混凝土与水泥制品，２００３（５）：５—７．　李壁有．预应力混凝土Ｔ型梁张拉前裂缝的成因与　析研究，得出Ｔ梁浇筑时的昼夜温差及混凝土自　身水化热引起的温度应力会导致Ｔ梁张拉前腹板　处产生竖向贯穿裂缝．因此，在Ｔ梁浇筑时，特别　是昼夜温差较大的地区，应该充分考虑浇筑过程　控制［Ｊ］．西部探矿工程，２００７，１９（２）：１５７—１５９．　黄国兴，惠荣炎．混凝土的收缩［Ｍ］．北京：中国建筑　工业出版社，１９８２．　朱清江．高强高性能混凝土的研制与应用［Ｍ］．北　京：中国建材工业出版社，１９９９．　中混凝土的温度应力．采取适当的养护措施，特别　是Ｔ梁腹板处，由于腹板处较薄弱；且此处较梁体　顶底板难于养护，更应该做好保温保湿．　参考文献：　［１］　陈萌．混凝土结构收缩裂缝的机理分析与控制［Ｄ］　Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｃｒａｃｋ　ｅ　ＪＩＡＮＧ　Ｚｅｎｇ－ｇｕｏ　，ＪＩＡＮＧ　Ｃｈｕａｎ　，ＧＵＯ　Ｙｕ－ｆｅｎｇ　，ＨＵＡＮＧ　Ｔａｏ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ｗｕｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００７０，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｃｏｍｐａｎｙ　ｏｆ　ＣＣＴＥＢ，Ｗｕｈａｎ　４３００７０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｐｒｅ。。ｓｔｒｅｓｓｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　Ｔ・－ｂｅａｍ　ｗｉｔｈ　４０　ｍ　ｓｐａｎ　ｏｆ　ａ　ｈｉｇｈｗａｙ　ｂｒｉｄｇｅ　ｗｈｉｃｈ　ｃｒａｃｋｅｄ　ｄｕｒｉｎｇ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｓｔａｇｅ　ｗａｓ　ｔａｋｅｎ　ａｓ　ｔｈｅ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｔｏ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ　ｔｈｅ　ｓｔｕｃｔｕｒａｌｒ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｅｒｉｏｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｏｕｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗａｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｅｘｐｌｏｒｅ　ｔｈｅ　ｒｅａｓｏｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃｒａｃｋ　ｅｘｐａｎｓｉｏｎ．　Ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｔ　ｂｅａｍ　ｗａｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ａｉｄｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ　ｐａｃｋａｇｅ　ｔｏ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｉｎｄｕｃｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｔｉｍｅ．ｖａｒｙｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｗｅｒｅ　ｃｏｍｐｕｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ　ｓｔｕｄｙ　ｗａｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ｔｏ　ｅｘａｍｉｎｅ　ｔｈｅ　ｒｅａｓｏｎｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃｒａｃｋ　ｅｘｐａｎｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｒａｃｋ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｈｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｏｕｒｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｈｅａｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｙｄｒａｔｉｏｎ　ｍａｙ　ｉｎｄｕｃｅ　ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｓｔｒｅｓｓｅｓｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｍａｊｏｒ　ｆａｃｔｏｒ　，ｔｏ　ｉｎｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｃｒａｃｋｓ．Ｓｏｍｅ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｗｈｉｃｈ　ａｒｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｔｏ　ｐｒｅｖｅｎｔ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｃｒａｃｋｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｅ．．　ｓｔｒｅｓｓｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　Ｔ－ｂｅａｍ　ｄｕｒｉｎｇ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｓｔａｇｅ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｓｔｕｄｙ　ｃａｎ　ｂｅ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｒａｃｋ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｒｅ—ｓｔｒｅｓｓｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ；Ｔ－ｂｅａｍ；ｃｒａｃｋ；ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　本文编辑：龚晓宁