混凝土长期收缩徐变对分层浇筑主拱圈整体受力的影响

混凝土长期收缩徐变对分层浇筑主拱圈整体受力的影响

王伟伟

（中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650216）

摘  要：本文研究的桥型为钢筋混凝土板拱拱桥，通过建立拱桥施工的多工况分析模型，考虑结构的非线性以及施工过程的位移和应力的叠加效应，研究得出分层浇筑主拱圈时不同层间的变形和应力分布情况是不同的；不同分层浇筑情况下混凝土收缩徐变对全桥整体受力与变形的影响是显著的。

关键词：钢筋混凝土拱桥；收缩徐变；分层浇筑；叠加效应；

1概述

随着土木工程建设的发展，建筑功能的要求也较为多变，大体积混凝土施工在建筑施工中较为普遍，而大体积混凝土常以大区段为一体继续进行施工建设，体积较为厚重，因此水泥中存在的水化热不易进行散发，导致混凝土温度上升太高，而混凝土的抗拉能力又相对较小，因此混凝土出现裂缝的几率较高，《大体积混凝土施工标准》GB50496-2018对大体积混凝土的定义如下：混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1m的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土。一般情况下，在大体积混凝土施工的过程中，如果大体积混凝土的厚度大于1.3m的话，通常需要进行分层浇筑，以保证大体积混凝土的浇筑质量，有效降低混凝土的裂缝出现几率。

由于钢筋混凝土板拱拱桥跨径长、拱圈高，而且主拱圈对裂缝宽度要求较高，所以为保证主拱圈的施工质量，在主拱圈的形成过程中大都采用分层、分段现浇、逐段成型合龙的施工工艺，其施工周期较长，各组分混凝土之间存在较大的龄期差，由此产生的混凝土收缩徐变内力、变形及应力分布十分复杂，会使得各浇筑层层间应力不同，影响结构的整体受力和稳定性，它与桥梁的施工安全与使用性能关系密切，因此有必要研究长期收缩徐变作用下不同的分层浇筑施工方法对主拱圈整体受力的影响。

2大跨度拱圈分层现浇施工的特点和分类

（1）特点

分层浇筑能够有效减少混凝土的浇筑厚度，实现对温度裂缝的有效控制。每浇筑完成一层可以对后浇拱圈荷载起支撑作用，有效降低了支模系统的经济支出，具有良好的经济性。大体积混凝土分层浇筑法能够有效降低混凝土中的温度，为施工提供了便利。但是分层浇筑将结构划分成若干的分层分段进行施工，每一层每一段混凝土都需要经过立模、绑扎钢筋、浇筑、养护等工序，使得施工的工序变得复杂繁琐。采用分层、分段浇筑施工，必然使得各层、各段之间存在一定的龄期差，由此引起的混凝土收缩徐变势必会对结构各组分的受力以及应力分布情况造成很大的影响，所以分层浇筑使得结构受力复杂。

（2）分类

大体积混凝土浇筑过程中使用的分层浇筑法通常包括5种：全面分层浇筑法、分段分层浇筑法、斜面分层浇筑法、对称分层浇筑法、斜面交错与分层分段混合使用的浇筑法。

3混凝土收缩徐变特性

收缩徐变是混凝土结构存在的固有特性，是混凝土粘弹性的基本特征之一。混凝土收缩徐变是混凝土桥梁结构设计计算中的一个重要内容。收缩徐变对混凝土桥梁的影响时间跨度很长，与结构形式、构件截面组成方式以及施工方法等因素有关。

混凝土徐变是在应力的作用下产生的，而混凝土收缩的产生则与应力无关。徐变、收缩虽各有自身的特点，但都可以与混凝土内水化水泥浆的特性联系起来。化学性质截然不同的水泥制造的混凝土，其徐变、收缩的机理在本质上是一样的。徐变、收缩的机理在于混凝土水化水泥浆的物理结构，而不在于水泥的化学性质。

4分层浇筑对结构整体受力的影响

（1）有限元模型介绍

本文引用的桥梁模型为52m上承式钢筋混凝土拱桥。主拱圈采用钢筋混凝土等截面矩形板拱，板拱截面宽9m，高2.5m。计算跨径52m，矢高13m，矢跨比为1/4，两岸采用明挖扩大基础拱座。利用有限元分析软件Midas进行建模分析，由于该拱桥为超静定结构，所以拱桥拱脚的边界条件模拟情况对拱桥的影响较大，因此有必要用实体单元准确的模拟出拱脚桥台，桥台的底面和侧面采用固结处理。

主拱圈划分四层，从下到上依次为第一层~第四层，第一层拱圈和第二层拱圈层厚为0.65m，第三层和第四层拱圈层厚为0.6m。本文模型分析，其中主拱圈浇筑方式分三种方式进行研究：

1）一层浇筑：一次性浇筑第一、二、三和四层拱圈，然后浇筑合拢段；

2）两层浇筑：第一次浇筑第一、二层拱圈，合拢第一、二层拱圈；第二次浇筑第三、四层拱圈，合拢第三、四层拱圈；

3）四层浇筑：依次浇筑第一层到第四层拱圈，依次合拢第一层到第四层拱圈合拢段。

图1 桥梁有限元模型

（2）基本假定

由于混凝土收缩徐变的影响因素众多，要想精确分析混凝土收缩徐变引起的结构变形和二次内力几乎是不太可能的，所以需要做一些简化和假定：

1）钢筋混凝土拱桥是一个均质、各向同性的连续体结构。

2）不考虑拱座的收缩徐变对全桥结构的影响。

3）主拱圈混凝土与拱座接触良好，为完全接触边界条件。

（3）函数选取

根据现行的《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB10002.3-2005)规定，并根据具体情况，C50混凝土和C35混凝土的收缩徐变模型采用“中国规范”中的模型。

5分析结果

以主拱圈全部浇筑完成为时间起点，设置0年、5年、15年和25年四种收缩徐变年限，分析不同分层浇筑工况下收缩徐变作用对主拱圈的受力和变形影响。计算得到结果如下图2~图3所示，只取全桥结构的1/2。

图2 第一层拱圈单元应力（图中应力：以拉为正，以压为负）

图3 第一层拱圈竖向位移（图中位移：竖直向上为正，向下为负）

从图2~图3可知：

（1）从图2中可以看出，第一层主拱圈跨中位置处单元在收缩徐变25年后承受着很小的拉应力，其余位置的单元承受压应力作用，随着收缩徐变的进行，跨中位置处的拱圈在前5年逐渐由受压变成受拉，5年之后基本维持不变，使得主拱圈结构的受力越来越不利。分层浇筑次数越多，在经历了长期的收缩徐变之后，第一层主拱圈承受的压应力越大，所受的拉应力越小，如此，对主拱圈结构的受力越有利。

（3）从图3可知，分层浇筑对拱桥拱圈的位移变化影响不大，但是可以看出随着收缩徐变的进行，桥面和拱圈发生了很大的竖向位移，位移变化主要发生在前5年，5年之后位移基本不变。

6结论

本文研究了大跨度钢筋混凝土板拱主拱圈在不同分层浇筑施工时拱桥的整体受力情况，以及不同的分层浇筑情况下长期收缩徐变的不同。得到结论：（1）不同分层浇筑情况下，长期收缩徐变对拱桥整体受力影响有较大的差别，分层越多，越有利于主拱圈混凝土发挥抗压性能；（2）分层浇筑对拱桥拱圈的位移影响不大。（3）大跨度钢筋混凝土拱桥主拱圈为主要受力结构，因此，在保证施工质量的前提下，可以采用分层浇筑的方法进行施工，使得拱桥主拱圈的受力更合理。

参考文献：

[1]姬同庚,张锋,张永水.许沟特大桥主拱结构徐变与收缩影响研究[J].公路交通科技,2006,23(6).

[2]蔡建伟.建筑工程中大体积混凝土分层浇筑的应用[J].建材与装饰,2015,(23).

[3]朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].中国电力出版社,1999.

[4]中华人民共和国铁道部.铁路钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范:TB 10002.3-2005[S].北京:中国计划出版社,2005.

[5]颜东煌,田仲初,李学文,涂光亚.混凝土桥梁收缩徐变计算的有限元方法与应用[J].中国公路学报,2004,17(2).

[6]中华人民共和国住房和城乡建设部.大体积混凝土施工标准:GB 50496-2018[S].北京:中国建筑工业出版社,2018.