钢-混凝土桥梁连续组合梁的...早龄期支座混凝土裂缝的控制_王晓林.pdf

266工程机械与维修CONSUMERS&CONSTRUCTION用户施工止混凝土产生裂缝的措施，对今后的大体积混凝土结构设计具有重要的参考价值。1 材料和方法1.1 桥梁材料近些年来，许多学者都聚焦于钢-混凝土组合梁的负最大弯矩区研究，钢-混凝土组合梁的最有利受力状态是混凝土翼缘受压、钢梁受拉，但是在实际的施工使用中，却普遍出现了混凝土翼缘受拉的情况。钢-混凝土连续组合梁在多数时间下是带裂缝工作的，但是裂缝过大时会导致钢筋裸露于空气中，产生化学作用发生腐蚀。裂缝允许有害液体和气体渗入混凝土，严重影响结构的完整性、耐久性和使用寿命。在目前研究中，许多研究者已经对混凝土开裂后的刚度退化问题展开了研究，通过改变剪力连接件形式、配筋情况以及连接件分布，研究组合梁的裂缝扩展模型、负最大弯矩区性能优化等问题。其中改善混凝土板的开裂特性，最直接的方法就是使用高性能混凝土材料。通过这种方式，可以减少抗剪连接件用量，从而提高混凝土翼缘纵向抗剪能力，充分发挥材料性能。基于上述内容，桥梁采用等级为 C50 的混凝土，同时为了降低混凝土硬化过程中的水化热，添加了一定量的粉煤灰(PFA)降低水化热，一般用量为 15%。混凝土配合比如表 1 所示。0 引言钢-混凝土组合桥梁由混凝土桥面和一个或多个钢梁组合而成，中间使用抗剪连接件。通过这种设计，材料的复合性能得以发展，从而可抵抗弯曲应力。混凝土中的压应力和钢中的拉应力占主导地位，达到了优化材料的目的。近些年，在我国建造的桥梁中，钢筋混凝土板组合钢梁结构作为新型建造形式逐渐得到推广。此类结构形式降低了自重、结构体积和钢材消耗，减少了基础成本，并提高尺寸精度 1-2。这类结构在受力时表现较好，结构的各组成部分共同协作，达到提升承载力的目的。例如可以提升钢材的极限抗拉强度与混凝土的极限抗压强度3-4。同时在桥梁结构中，由于伸缩缝的存在，与连跨桥梁相比，简支跨桥梁通常产生更大的内力，且需要使用更多的材料。但是在连跨桥中，通过使用钢筋混凝土就可以改善这些问题。钢混组合梁桥的梁体拥有良好的耐腐蚀与耐火的特性5，且可明显降低动荷载作用下产生的噪声污染。目前，国内外已经将这种组合结构投入工程应用，例如将支座与上部结构连续浇筑混凝土，将单跨体系变为桥梁连续体系。国内已经采用在支座和桥台处连续浇筑混凝土方法建造了数座桥梁，将支座和桥台处的混凝土作为混凝土横梁。其中较为典型案例包括云南某河流的 25.87m 的四跨组合跨河桥，位于河北某用于公共交通车道的 40m 单跨组合梁等。在这些工程实例中，出现了一个共有问题，即桥梁建造之初支座和桥台处的混凝土，在早龄期由于水化热产生了大量裂缝。本文提出了评估钢-混凝土桥梁连续组合梁的有效性方法，研究了早龄期支座处混凝土裂缝控制方法，所述防钢-混凝土桥梁连续组合梁的有效性评估及早龄期支座混凝土裂缝的控制王晓林 摘要：提出一种钢制梁与钢筋混凝土板相组合的桥梁建造形式，与单跨结构相比，组合梁结构具有改善内力表现、减少峰值位移和减少伸缩缝数量等优点。进行数值模拟计算，用以评估钢-混凝土桥梁连续组合梁的有效性以及控制早龄期支座处的混凝土裂缝，其模型和结论可为组合钢梁桥的施工提供指导。关键词：桥梁结构；钢筋混凝土组合钢梁；有效性评估；裂缝控制（中铁十九局集团第二工程有限公司，辽宁辽阳 111000）表 1 混凝土配合比 kg/m3水水泥PFA细骨料粗骨料附加剂1584106976810455.6CM&M 2023.01267在利用软件进行结构分析时，需要输入材料参数，混凝土特性参数如表 2 所示。与钢模板的空气对流传热系数取 17.26 W/（m2）。桥梁主梁在施工期间，其周围环境温度在 1525范围内变化。桥梁横截面详细尺寸如表 3所示。1.2 桥梁结构受力分析钢-混凝土组合截面是一个封闭截面，其中侧面（腹板）和下部（底翼缘）由钢组成，通过使用抗剪连接件将顶翼缘与混凝土桥面连接，形成一个封闭截面。在梁的两端设置一个开口截面 bQRT，在其上布置钢筋并浇筑混凝土，使其成为规则的简支体系。横梁在强剪和高负弯矩下工作，需要在梁间间隙处加强钢筋强度，且在梁的底部和顶部铺设钢筋网。在实际应用中，在建造桥梁时，顶部钢筋和底部钢筋区域通常采用直径为 16mm、长度为 10cm 的钢筋。钢筋长度由公式（1）计算得出：l=bQRT+L+lb （1）式中：bQRT 主梁两端之间的距离；L大于或等于 0.15Lst；Lst紧邻的两个跨度中的较长一个；lb锚固件的长度。在进行结构分析时，连续组合梁不同于与钢梁或钢筋混凝土梁这种单一结构，必须考虑钢材与混凝土结合时材料性质的差异性。值得特别注意的是，开裂对混过凝土有效翼缘宽度的影响、栓钉滑移效应等问题不能忽视。影响支座处的负弯矩分布的因素有很多，例如支座位移、支座温度。在底部承台处往往承受较大的拉力和剪切力，所以需要通过加密间距或者长度加长来增加此处的钢筋用量。支撑处结构梁如图 1 所示。浇筑混凝土位置处详细结构如图 2 所示。抗剪连接件主要作用为加强钢梁与混凝土板整体性的粘接，承受两者接触面之间的剪力，以最大限度地减少界面滑移，保证使钢制梁与混凝土翼缘板协同工作。本文采用抗剪切栓钉进行抗剪设计。板的钢筋需要通过计算设置钢筋的数量和长度，在梁端位置钢筋混凝土板的厚度必须 17.5cm。采用组合钢梁和钢筋混凝土板建造的跨桥，不仅可以建造连续结构，还可以在桥台和支承结构处建造一个附加构件，即横梁。该结构分以下几个阶段工作：第一阶段，只有钢梁起作用，完全承担因外部荷载而产生的内力；第二阶段，钢梁和钢筋混凝土板共同受力。有时支座处两端梁的截面是不同的，采用钢筋混凝土连接两个端梁需要考虑梁的截面属性问题。在支座和桥台处主要由钢梁承担内力，但跨中的截面则由钢筋混凝土板与钢梁协同受力。需要注意的是，构成主梁的材料差异性以及主梁横截面的不同，导致主梁本身的荷载分布不同，如图 3 所示。表 3 组合钢梁的基本尺寸 mm部分数值钢梁顶板的宽度350钢梁顶板的厚度20钢梁底板的宽度400钢梁底板的厚度22围绕腹板的厚度16腹板高度1358钢筋混凝土板的厚度200钢筋混凝土板的宽度3000图1 支撑处结构梁 图2 浇筑混凝土位置处详细结构图3 主梁上的恒载b 支座结构处浇筑a 跨中浇筑 表 2 混凝土的性能混凝土性能数值导热系数/(W/m)2.92比热容/(J/kg)954密度/(kg/m3)2450传热系数/(W/m2)18.72热膨胀系数/(1/)510混凝土弹性模量/GPa34.50泊松比0.2028d 龄期的抗拉强度/MPa4.10水泥水化释放的最大热量/(kJ/kg)256268工程机械与维修CONSUMERS&CONSTRUCTION用户施工施工方法：基于各跨桥的不同长度，根据支座上铺设主梁的方法，使用台式桥梁的施工方法。第 1 步：按照设计图纸制作钢梁，保证构件连接处的强度储备，设置锚栓；第 2 步：在支座上架设钢梁（根据预先设计的跨距）；第 3步：支座处以及钢梁顶层铺设钢筋（根据预计算的钢筋尺寸、间距与长度）；第 4 步：在跨中和支座处浇筑混凝土；第5 步：完成承台和其他构件的布置。1.3 桥台混凝土裂缝分析控制桥台处混凝土裂缝可以通过结构构造细节处理或者采用合理的施工方法来实现，主要包含以下几个方面：使用较小直径的钢筋或者缩小钢筋间距，确定最佳的保护层厚度；增加钢梁的截面高度，缩小与截面中性轴距离；使用正确混凝土配合比，浇筑、振捣、表面处理、养护程序缺一不可，严格把握各工序施工质量。在其他条件确定情况下，由于混凝土硬化过程中水化热的存在，混凝土可能开裂。开裂概率的评估可以用下式表示：（2）式中：Ict热裂缝指数；fsp()白天的最大热应力值；ft()白天混凝土的抗拉强度。根据之前的试验和应用经验以及表 4 中列出的预防开裂标准，可以通过热裂缝指数值来评估开裂趋势。2 研究结果2.1 组合梁有效性评估本文所研究的结构为三跨连续梁，每跨度的长度为 45m，结构分析如图 4 所示。其中：DC1为带钢筋混凝土板的组合钢梁位置处荷载；DC2为浇筑混凝土位置处荷载；W为道荷载。将两个端梁（支座处）之间的间隙，设置为bQRT=0.9m，荷载组合包括结构所有部件的自重+车辆荷载+设计车道荷载。下文通过 SAP2000 软件计算了连续梁和简支梁的内力分布，各连续跨度弯矩如图 5 至图 8 所示。图 9 为相同荷载下连续跨的弯矩值与简单跨度的弯矩值对比。例如，与简支单跨度 AB、BC 和 CD 处的弯矩相比，连续跨度 AB、BC 和 CD 处的弯矩分别降低了 36.53%、78.61%和 34.83%。图5 连续跨度的弯矩图图7 BC跨的弯矩图图4 结构分析图9 连续跨与简支单跨上力矩对比a 连续跨b 简支单跨Ict=fsp()ft()表 4 控制混凝土开裂倾向的标准裂缝评价标准热裂指数防止热裂缝的形成Icr 1.5限制热裂缝的形成1.2 Icr 1.5限制有害热裂缝的形成0.7 Icr 1.2图8 CD跨的力矩图图6 AB跨的弯矩图弯矩/kNmCM&M 2023.01269显示了中心（节点 1）与其表面（节点 2 和 3）处的混凝土温差随时间变化曲线。如图 13 所示，在选取的 3 个点处，通过模拟计算得到混凝土硬化时开裂指数高于限值 1.5，所以裂缝并不会延伸在早龄期支座处。3 结语本文依托某实际工程，分析钢-混凝土组合结构桥梁的应用领域以及优劣势，对此结构形式的负弯矩区钢筋取值以及对混凝土早龄期有效性评估进行了研究，可为此类桥梁的应用和推广提供研究参考。根据研究结果，得出以下结论：与简支单跨相比，采用钢筋混凝土板组合钢梁建造的桥梁具有如下许多优点：可抑制伸缩缝的产生，从而改善整体使用性能；在相同荷载作用下，连续跨的内力（弯矩）值也更小。通过钢筋混凝土板与组合钢梁建造而成的多跨连续桥结构整体刚度较大，有助于提升结构性能表现。有限元建模可以较为准确地预测混凝土温度场，并可以预测支座处混凝土的开裂可能性。由于计算的开裂指数大于 1.5 的极限值，故支座的混凝土没有出现裂缝。参考文献 1 张钱贵,张善勇.钢-混凝土组合结构桥梁研究新进展 J.科 技视界,2015(35):296.2 陈国红,徐召.大跨径钢-混组合梁斜拉桥主梁力学特性研究 J.桥梁建设,2019,49(5):39-44.3 聂建国.钢混凝土组合梁结构 M.科学出版社,2005.4 苏庆田,胡一鸣,徐晨,卢永成,王冠男.整体预制钢-混凝土 组合梁桥合理结构研究 J.建筑钢结构进展,2020,22(2):93-100.5 宗金东.中小跨径钢-混凝土组合结构连续梁桥设计要点分析 J.交通世界,2021(28):107-108.2.2 混凝土早期开裂评估当混凝土强度较低时，约束体积收缩会导致混凝土开裂，即当拉应力大于抗拉强度时混凝土开裂。混凝土因收缩所引起的裂缝是最常见的，通常呈现在表面。然而收缩应变只是影响其开裂的因素之一，还包括混凝土温度、抗拉强度、弹性模量、约束程度和徐变等。混凝土早龄期抗拉强度、收缩应力等参数，会随着混凝土发展不断改变，各种因素之间也互相影响。为分析支座处早龄期混凝土温度、应力场和开裂指数，对于混凝土强度的影响，采用基于有限元法的数值模型，利用计算软件 Midas Civil 计算得到了支座处混凝土的温度场和开裂指数。基于几何对称性，支座处的混凝土采用有限元建模如图 10 所示。通过计算得到，当支座中心和表面混凝土之间的温差超过允许极限20，或热裂指数小于允许值 1.5 时，混凝土中心或表面会出现裂缝。48h 后支座处混凝土的温度分布如图 11 所示。从图 11可以看出，混凝土浇筑后 48h 最高温度为 48.01。图 12图12 支座处混凝土三个不同点的温度曲线图13 节点1-2-3的混凝土开裂指数随时间变化图10 支座处混凝土的有限元模型图11 48h后支座处混凝土的温度分布时间/h时间/h温度/热裂指数