杜国鹏 李 杰 贺 铮

(郑州大学土木工程学院 郑州 450001)

梁拱组合体系桥梁由于其主梁刚度大、整体性好，满足高速列车的行车舒适性与安全性要求，故大跨度高铁桥梁多有采用。但是由于此类桥梁对施工要求高，施工中经常会出现拱脚部位混凝土开裂等现象，造成较大的质量事故。程泽兵等[1]分析计算得出钢管混凝土拱桥拱脚低温季节施工出现裂缝的主要原因是日照温差和配筋率不足。姜自奇等[2]以蒲山特大桥为例，采用midas Civil有限元分析拱脚应力分布， 为施工提出优化。邓风亭[3]通过midas Civil和FEA，发现导致拱脚裂缝产生的原因是施工造成拱脚局部拉应力超过了拱脚混凝土的抗拉强度。要找出钢管拱拱脚易产生常见裂缝的原因，必须对拱脚局部进行详细研究分析。但是由于其几何形状复杂，无法从理论的角度进行局部应力分析。因此本文从有限元的角度对某桥梁施工过程中拱脚开裂的原因进行分析探讨，供同类钢管混凝土拱桥建设参考。

1 工程概况

某高速铁路桥全长309.6 m，主桥采用74 m+160 m+74 m预应力混凝土连续梁-钢管混凝土拱组合结构，桥跨结构为刚性梁-柔性拱。本桥采用“先梁后拱”施工方法，主梁单箱双室变截面预应力混凝土连续箱梁采用挂篮悬臂浇筑施工，上部钢管混凝土拱肋由预制钢构件拼装成拱后泵送混凝土。该桥立面图见图1。

图1 主桥立面图(单位：mm)

梁拱组合体系桥的特点是结构复杂，施工难度大，建设周期长。在前期施工过程中，拱脚作为大跨度连续梁拱组合桥的关键部位，对全桥承载和跨越能力至关重要，而且其受力情况受施工顺序、温度及材料收缩徐变等因素影响很大。

此桥施工过程中，连续梁在施工至二号段张拉压浆结束时，梁拱结合部多处出现了裂纹。裂纹的存在一方面影响了结构的美观和正常使用，另一方面削弱了结构的刚度和整体性，可能会对高铁桥梁运营的耐久性产生不利影响。因此，有必要对拱脚裂缝成因进行分析，然后根据分析结果选择合适的处治方法。

2 裂缝情况

按照设计，0号段应使用C55混凝土采用泵送一次性浇筑成型。在现场施工过程中，由于现场施工条件的限制，拱脚混凝土与0号段混凝土的浇筑有较大的时间间隔，并且当时正值春末夏初，昼夜温差较大。施工过程见表1。

表1 拱脚施工过程 d

主桥在悬臂施工过程中为两侧有临时支墩的静定T构。梁所用C55混凝土的设计抗拉及设计抗压应力分别满足 1.98 MPa及-25.3 MPa。开裂时作用在结构上的静力荷载主要是挂篮重和2号段混凝土湿重。

在施工至2号段张拉压浆结束时，拱脚混凝土与0号段混凝土出现裂缝。其中405号墩梁体出现10条裂缝，裂纹呈放射状分布，裂缝长100～170 cm，裂缝宽度0.08～0.17 mm，其中L1和L6裂缝宽度大于0.15 mm；405号墩拱座出现26条裂缝，裂缝长60～320 cm，裂缝宽度0.05～0.26 mm，其中有8条裂缝宽度大于0.15 mm，拱座内侧裂缝比外侧多。裂纹示意见图 2。

图2 405号墩裂纹位置示意图

检测数据显示，连续梁405号墩的0号段及拱座内外侧均出现较多竖向裂纹，裂纹宽度在0.05～0.26 mm范围。经过观测，裂纹已经稳定，未发现有增大、缩小或者延伸趋势，但是为了杜绝裂纹发展以致影响到混凝土的整体性，也为了选择合适的裂缝处治方法，必须分析裂缝产生的原因。

3 拱脚裂缝成因分析

近年来随着泵送施工技术发展，高强、超高强大体积混凝土的一次性浇筑中的混凝土裂纹控制变得更为困难。从裂纹起因来看，裂纹主要分为因外荷载作用引起的裂纹和变形变化引起的裂纹两大类[4-5]。近几年研究和调查发现，大量的桥梁裂纹不完全是由外荷载作用而产生，而是由于结构自身变形而造成，据统计，前者约占20%，后者约占80%。导致结构变形的因素有很多[6]，例如：水泥的水化热作用、日照辐射引起的气温变化等原因造成的温度变形；混凝土的塑形收缩、干缩、碳化收缩造成的收缩变形；地基土膨胀造成的地基不均匀沉降等；由于外部约束的存在，结构的变形会使混凝土内部出现附加内力。当附加内力产生的应力大于混凝土材料本身的抗拉强度时，结构便会产生裂纹。

3.1 分析思路

通过上述的两大类裂缝成因的初步分析，该梁拱组合桥在实际施工中裂缝的影响因素可能有外荷载作用、温度作用、混凝土的收缩徐变等。2号段浇筑时，静力荷载作用只有预应力、自重和挂篮重。根据当前施工状态建立0号段和拱脚模型进行分析，拱脚采用实体单元模拟，挂篮自重模拟为均布荷载，墩底及钢管支撑底部固结[7-9]。

3.2 仅考虑施工过程静力荷载

3.2.1拱脚处结构内力分析

当不考虑混凝土材料的收缩徐变及温度荷载的效应时，梁-拱结合拱脚部位仅受施工过程的影响。此时拱脚处混凝土及0号段、1号段、2号段、桥梁主墩、临时支墩等所受作用有自重和预应力荷载。不考虑非线性、收缩徐变情况下，当2号段张拉压浆结束时，结构主应力分布见图3。

图3 仅考虑施工过程静力荷载的拱脚及0号段混凝土应力(单位：MPa)

由图3可知，除预应力筋张拉与锚固区域由于应力集中现象出现部分拉应力外，拱脚及0号段混凝土其余位置应力分布较为均匀，绝大部分混凝土均处于受压状态，拉应力大部分在-0.15～0.64 MPa范围内，裂缝出现的位置未发现应力超限，因此，从结构受力分析可知该裂纹后续进一步发展的可能性很小。

3.2.2拱脚处结构变形分析

在不考虑非线性、收缩徐变情况下，当2号段张拉压浆结束时，结构竖向及横向变形情况见图4。

图4 仅考虑温度作用的拱脚及0号段变形(单位：mm)

由图4可知，拱脚及0号段混凝土均处于下挠状态，最大下挠值为2.27 mm，位于顺桥向0号段中间位置，最小下挠值为0.13 mm，位于拱脚位置。由横向变形结果可知，拱脚及0号段混凝土横向变形较小，0号段混凝土存在较小的横向收缩现象，最大变形量为0.15 mm，位于0号段翼缘板位置。

由图4还可知，在不考虑混凝土材料收缩徐变效应和温度荷载时，拱脚及0号段混凝土应力和变形均较小，强度和变形均满足要求，可知静力荷载不是形成裂缝的主要因素。

3.3 仅考虑温度作用

考虑到该桥位于山区，拱脚及0号段浇筑施工及养护是在春末夏初的四五月份完成，该季节昼夜温差大，再考虑到阳光辐射等作用，桥梁结构会产生较大的应力和变形。考虑到混凝土水化热及当时实际温度变化，材料非线性和温度影响可能会是裂缝形成的主要影响因素。对拱脚和0号段考虑温度荷载效应时，取施工时平均温度为20 ℃，结构整体升、降温20 ℃。温度作用下结构的内力和变形见表2。

表2 温度作用时结构的内力和变形

由表2可知，整体升温、整体降温作用下，拱脚及0号段混凝土拉应力和压应力变化不大，变化值均小于3% 。在考虑设计规范取值的情况下，结构应力较小(不考虑锚固区的应力集中现象)，不会出现开裂现象。但温度荷载对结构受力和变形影响较大，现场出现开裂可能是由于施工中环境温度骤变、水化热等因素共同作用产生的，而这些因素是设计无法详细考虑的。因此，分析温度和收缩徐变效应对结构受力的影响很有必要。

3.4 温度效应和收缩徐变共同作用

3.4.1有限元的模拟

根据midas Civil 梁单元分析的结果对拱脚局部实体模型加载，当前受力工况下的内力只有恒载和已张拉钢束的预应力荷载，主梁内力情况将其通过静力荷载的形式施加在midas FEA 拱脚实体模型截面。同时考虑了材料的非线性、温度效应及收缩徐变效应，其中温度依据梁体温度传感器及环境实测温度。当结构处于最不利工况时，拱脚拱座内部节点和0号段腹板内部由于水化热反应设置节点温度为60 ℃，拱脚、拱座表面、0号段主梁梁面、腹板外侧主墩和临时支墩由于太阳光的直射，设置节点温度为40 ℃，0号段底板和箱梁内部由于不能受到太阳光的直射，故设置节点温度为20 ℃。

3.4.2拱脚处结构受力分析

根据有限元分析结果可得，拱脚处混凝土主拉应力和主压应力云图见图5。

图5 考虑温度效应和收缩徐变共同作用的拱脚及0号段应力(单位：MPa)

由图5可知，拱脚处混凝土多处位置应力值超出混凝土的材料极限拉应力限值，且应力较大位置位于拱脚拱座和0号段腹板位置，与实际裂缝出现的位置相近。

3.4.3拱脚处结构裂纹分析

根据有限元分析结果可得，拱脚处混凝土裂纹状态见图6。

图6 拱脚处混凝土裂纹状态结果

由图6可知，拱脚及0号段混凝土多处位置出现裂缝，且裂纹位置与现场实测裂缝的位置大致相同。结果表明：①有限元软件模拟结果与实际裂缝较吻合；②拱脚处多处出现的裂缝是由于混凝土水化反应内外温差和混凝土硬化过程中的收缩徐变共同作用造成的。

4 裂缝的预防和处理

经过观测和仿真分析，裂缝主要是由水化热及日照导致过大的温度应力和收缩徐变效应共同作用引起的。现在裂缝已经稳定，从结构受力分析可知，该处裂缝后续进一步发展的可能性很小，但是为了杜绝裂缝后续进一步发展，影响混凝土的外观质量、耐久性及安全性，需要严格按有关要求进行处治。混凝土裂缝处治主要应达到限制裂缝扩展，满足结构强度、防渗、耐久性等各项验收质量标准和建筑物安全运行的要求[10]。

4.1 裂缝的预防措施

结合本文仿真分析结果，提出预防拱脚和0号段裂缝的措施。

1) 优化混凝土的配合比，通过减少水泥用量、掺加添加剂等措施降低水化热。

2) 针对高温季节施工情况，可以采用搭设遮阳板、增加箱室内通风降温等措施减小混凝土的温差。

3) 优化钢筋配置或者在混凝土中掺入纤维材料，将混凝土裂缝宽度控制在合理范围。

4.2 裂缝的处治措施

常见裂缝处理方法包括表面处理法、填充处理法、灌浆处理法、结构补强法，以及混凝土置换法等。其中灌浆处理法应用范围广，从细微裂缝到大裂缝均可适用，处理效果好。经检测，出现的裂纹状态为静止不发育状态，不影响构件力学性能和整体性。为保障梁体质量与结构安全，根据裂缝实际情况选择合适的处治方法进行处治，常见处治工艺见表3。根据开裂情况和现场条件，本项目选择对宽度小于0.15 mm的裂缝进行封闭处理，对宽度大于0.15 mm的裂缝进行化学灌浆处理，处治完成后对裂缝进行抽样检测，裂缝全部封闭，后续施工中未发现新的开裂。

表3 裂缝处治工艺

5 结语

本文运用有限元软件midas Civil和FEA对该高速铁路梁拱组合特大桥施工中拱脚及0号段混凝土受力情况进行了仿真分析，以探究裂缝成因。在不考虑混凝土材料的收缩徐变施工条件下，拱脚及0号段混凝土应力远小于材料的容许应力，且结构的变形较小；温度单独作用下，拱脚及0号段混凝土应力相比于自重单独作用时变化较小，强度相比于自重单独作用时变化较大，但结构最大应力也仍远小于材料容许应力值；在温度效应和混凝土硬化时收缩徐变效应共同作用下，拱脚和0号段混凝土多处出现应力超限，混凝土结构产生裂缝，裂缝方向与实际裂缝基本吻合，数值分析与实际裂缝状态得到相互验证，表明该阶段拱脚开裂是由于温度、收缩徐变效应引起，施工中应特别注意环境因素和大体积混凝土浇筑对施工质量的影响。