铁路箱梁静载试验开裂原因分析及控制措施

铁路箱梁静载试验开裂原因分析及控制措施孙金更【摘要】通过预制后张法预应力混凝土铁路桥箱形简支梁静载试验出现的1.0级荷载开裂问题,对开裂原因进行全面分析。

重点剖析由于蒸养拆模、混凝土水化热高峰期拆模,造成混凝土芯部与表面、表面与环境温差超过15℃的标准要求,致使混凝土内部温差应力超过其抗拉极限强度而早期开裂的原因。

论证静载试验在1.0级时,当混凝土抗拉极限强度fct=0,则抗裂安全系数Kf=姿,梁体在静载试验时出现1.0级开裂的必然性,进一步阐明混凝土温差应力超限是箱梁静载试验开裂的主要原因,提出预防出现早期裂缝的控制措施。

%With regard to the cracking identified under the static test for prefabricated post-tensioned prestressed concrete railway bridge simply supported box girder, this paper analyzes the causes of cracking with focus on early cracking due to the fact that the concrete inner temperature difference stress exceeds the tensile ultimate strength, which is caused by the temperature difference between the core and surface of the concrete, and the temperature difference between the surface and the environment in excess of the restrict ed 15℃ on account of the form removal during steam curing and in peak period of concrete hydration heating. The author demonstrates the inevitability of cracking during beam static load level 1. 0 test with concrete tensile limit strength fct=0, and anti-c rack safety factor Kf=λ, further elucidates that it is the concrete transfinite temperature stress that gives rise to box girder cracking, and puts forward control measures to prevent early cracks.【期刊名称】《铁道标准设计》【年(卷),期】2015(000)007【总页数】5页(P84-88)【关键词】预应力混凝土;箱形梁;静载试验;抗裂性;开裂原因;温差应力;水化热【作者】孙金更【作者单位】中国铁道科学研究院标准计量研究所国家铁路产品质量监督检验中心，北京 100081【正文语种】中文【中图分类】U448.21+3客运专线预制整孔简支箱梁以抗扭刚度大、受力明确、建设速度快、易保证质量、建成后的桥梁养护工作量小以及低噪声等优势，在铁路客运专线中被广泛采用。

铁路预制梁箱梁自重较大、不易更换，要求其具有较好的耐久性。

预应力混凝土结构的抗裂性能直接影响结构的耐久性，保证结构抗裂性非常必要。

桥梁静载弯曲抗裂性试验是检验桥梁结构的重要手段，是检验梁体抗裂性能和刚度是否满足设计要求的常规方法。

通过静载试验，可以更好地掌握箱梁结构的工作状态，判断是否符合设计要求和正常受力状态，可以完成对梁体承载能力和工作状况的总体评价，是控制桥梁总体质量的重要方法。

根据《客运专线预应力混凝土预制梁暂行技术条件》(以下简称“《标准》”)以及相关规范要求，在梁体终张拉30 d后，除首孔梁进行静载试验外，每批次60片随机抽样进行1件梁静载试验。

如静载试验过程中在1.2级荷载内出现受力裂缝，则判定不合格。

如何在施工中采取措施，保证结构抗裂性，是箱梁预制的关键环节。

为此，箱梁静载试验开裂原因以及控制措施有必要进行深入探讨。

根据《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》( TB1002.3—2005)(以下简称《桥规》)规定，对于不允许出现拉应力的预应力混凝土结构，正截面抗裂性验算公式如下式中 Kf——抗裂安全系数，依据规范Kf≥1.2；σ——计算荷载在截面受拉边缘混凝土中产生的正应力；σc——扣除相应阶段预应力损失后的混凝土的预压应力；fct——混凝土抗拉极限强度，对C50混凝土，fct=3.10 MPa；γ=2S0/W0——考虑混凝土塑性的修正系数；S0——换算截面重心轴以下的面积对重心轴的面积矩，m3；W0——对所检算的拉应力边缘的换算截面抵抗矩，m3；λ——预应力度。

根据设计院提供的统计资料，各种梁型主要设计参数统计见表1。

由式(1)可知，抗裂安全系数Kf与预应力度λ、混凝土塑性系数γ、混凝土抗拉极限强度fct有关，依据《桥规》规定：对于不允许出现拉应力的预应力混凝土结构，按弹性阶段检算截面抗裂性，但在运营阶段正截面抗裂检算中，应计入混凝土受拉塑性变形的影响，其Kf≥1.2，由式(1)和式(2)得λ+γfct/σ≥1.2，由表1可知对于某一桥梁结构类型λ、γ、σ为定值，一般情况下λ在1.0～1.1，梁体抗裂性能否大于1.2主要取决于fct，如混凝土养护不到位，早期出现裂纹，则fct=0，这时梁体抗裂安全系数是不可能达到1.2的，因此，静载试验中出现早期开裂的主要原因是混凝土早期开裂。

混凝土裂缝可分为荷载引起的裂缝和非荷载因素引起的裂缝，早期裂缝主要是由于非荷载因素所引起的。

非荷载因素裂缝主要包括收缩裂缝和温度应力裂缝。

3.1 收缩裂缝收缩是混凝土在不受力的情况下，因体积变化产生的变形。

当混凝土不能自由收缩时，收缩的结果会在混凝土内引起拉应力而产生裂缝。

早期混凝土的胀缩、水分蒸发收缩(2～12 h)、自生收缩等是近年来发现的工程现场早期开裂的主要原因，特别是高强混凝土的早期收缩量有可能很大。

早期水化化学收缩、骨料下沉及砂浆上浮、表面水分蒸发等因素引起，后两种在施工阶段出现较多。

研究表明，不同的水泥品种、水胶比、坍落度、掺合剂、养护条件等对早期的塑性收缩裂缝影响很大。

箱梁为狭长薄壁结构，浇筑过程中混凝土不易密实，易导致骨料下沉水泥浆上浮，而出现表面裂缝。

3.2 温度应力裂缝温度应力裂缝是混凝土箱梁早期开裂的主要原因，温度应力与混凝土凝结硬化时的水化热、养护制度、撤除蒸汽养护罩及拆模时的环境温度、结构的约束情况等密切相关。

(1)水化热引起温度梯度而开裂。

高速铁路简支预制箱梁截面尺寸及混凝土体积较大，如时速350 km的32 m预制简支箱梁，每片梁324 m3混凝土。

混凝土浇筑完成后的初凝阶段，水泥水化反应快速，释放大量的热量，但热量积聚在混凝土内难以散发，导致混凝土内部温度迅速升高，而表面温度低，因此造成混凝土芯部与表层、表层与外部空气环境形成内外温差。

当混凝土内外温差较大，其产生的不均匀的温度应变在受到混凝土结构件本身约束和外界约束时，将在混凝土硬化过程中产生较大的温度应力，当混凝土产生的这种温度应力达到一定程度而超过混凝土抗拉强度时，混凝土结构就会开裂。

(2)温差的形成。

拆模阶段，由于拆模后的环境影响，混凝土表面温度迅速降低，而内部温度降低速度缓慢，根据某工程现场实测数据，箱梁跨中及端部截面底板混凝土的水化热下降规律是每小时降温0.45～0.55 ℃，顶板每小时降温0.35～0.45 ℃，腹板每小时降温0.30～0.35 ℃，这样就会形成芯部与环境的陡然温差而产生温度应力。

而在拆模时，依据《标准》要求混凝土的强度仅达到设计等级的60%，此时混凝土的抗拉强度较低，如温度应力超限极易产生早期裂缝。

早期裂缝在梁体预施应力后闭合，因此也经常不被注意到，但开裂的混凝土抗拉强度已经丧失，在静载试验阶段，就出现了早期开裂。

(3)混凝土伴随温度的升降会产生胀缩变形，此胀缩应变决定于混凝土热胀系数和温度变化量。

混凝土浇筑后升温过程中还基本处于塑性或弹塑性状态，此时弹性模量较低，变形能力很大，温度应力对结构的影响可以忽略不计，温度变化对混凝土的影响主要表现在降温阶段。

在降温阶段，由于混凝土较差的导热性，且结构内外降温速率不同。

当混凝土受自身的非线性温度场约束，或混凝土内外形成较陡的温差梯度时，外部混凝土的收缩明显大于内部混凝土的收缩，内部混凝土对外部混凝土的收缩提供了约束，产生了混凝土表面的约束拉应力，当约束拉应力超过混凝土抗拉极限时，梁体就会产生裂缝。

因此，温度裂缝是造成箱梁开裂的主要因素之一，尤其降温阶段应作为重点关注的问题。

以京沪高速铁路32 m箱梁为研究对象，使用Midas FEA软件建立实体单元模型，模型共有104 252个单元和133 506个节点，约束在实际支座位置并模拟4个支座的活动方式。

混凝土强度等级为C50。

计算工况：模拟混凝土芯部与表层-15 ℃温差工况。

箱梁外表面与内表面均为-15 ℃，箱梁腹板、底板、顶板、顶板与腹板交接处及底板与腹板交接处的芯部温度为0 ℃。

分析结果表明：芯部与表层的温差致使底板上下表面产生约4 MPa的纵向应力，腹板内外表层产生3.8 MPa的纵向应力。

一般情况下，设计要求拆模时混凝土强度为设计强度的60%，相当C30混凝土，其对应弹性模量为3.2 GPa，约为C50混凝土弹性模量的0.9倍，但初期弹性模量增长较慢，并不与强度呈对应关系增长，一般低于对应强度等级的混凝土弹性模量，由某梁场试验资料，2 d时的弹性模量为C50混凝土弹性模量的0.6～0.8倍。

因此本文将模型中混凝土弹性模量分别按0.8、0.6、0.4、0.2进行折减后相应计算，分析弹性模量对温差应力的影响(表2)，跨中截面纵向应力计算结果表明，底板和腹板应力随弹性模量降低也相应降低。

当弹性模量在设计弹模0.8倍以下时，箱梁表面产生3.308 MPa以内的温差应力，而考虑混凝土塑性变形修正系数1.5，对于C30混凝土γfct=1.5×2.2=3.3 MPa。

即拆模时混凝土强度为设计强度的60%、温差应力15 ℃时，梁体混凝土表面产生的混凝土温差拉应力(3.308 MPa)与混凝土自身的抗拉强度(3.3 MPa)相当，说明梁体混凝土表面具有抵抗温差变形的能力，考虑钢筋的约束作用，箱梁结构在满足芯部与表层15 ℃温差时，具有足够的抗裂性。