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浙江大学学报(工学版)  2021, Vol. 55 Issue (1): 46-54    DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2021.01.006
土木工程、交通工程、水利工程     
装配式桥墩温度应力分析与裂纹控制
李中南(),朱海波,赵阳,罗雪,徐荣桥*()
浙江大学 土木工程系,浙江 杭州 310058
Thermal stress analysis and crack control of assembled bridge pier
Zhong-nan LI(),Hai-bo ZHU,Yang ZHAO,Xue LUO,Rong-qiao XU*()
Department of Civil Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China
 全文: PDF(5844 KB)   HTML
摘要:

以某在建跨海大桥为例,通过数值仿真分析预制桥墩在与现浇承台连接施工时的温度应力及其影响因素,结合海上施工条件提出裂缝控制措施并进行现场试验. 分析结果表明,填芯混凝土热膨胀是预制桥墩温度应力的主要因素,温度梯度为次要因素. 混凝土入模温度从10 °C提高到40 °C,最大拉应力增加15.4%. 作为单项措施,设置隔热缓冲层的控制效果最佳,其次为冷却水管、优化混凝土配合比、分层施工和应力消散孔,外壁保温与内腔通风措施的效果较差. 提出的裂纹控制方案是采用优化混凝土配合比,且分3层浇筑混凝土,第1层和第2层分别设置隔热缓冲层和应力消散孔,通过现场试验验证了该方案可以有效地控制裂纹.

关键词: 装配化施工预制桥墩温度应力裂纹控制现场试验    
Abstract:

A cross-sea bridge under construction was considered as an example. The thermal stress and its influencing factors of the prefabricated bridge pier during connection with the cast-in-place cap were analyzed through numerical simulation. Crack control measures were proposed and field tests were conducted combined with the offshore construction conditions. Results show that the main factor causing thermal stress is the thermal expansion of the core-filled concrete, and the secondary factor is the temperature gradient of the pier. The maximum tensile stress increases by 15.4% when the concrete pouring temperature is increased from 10 °C to 40 °C. The control effect of setting the thermal insulation buffer layer is the best as a single measure, followed by the cooling water pipes, optimization of concrete proportion, layered construction and stress dissipation hole. The effect of outer insulation and inner cavity ventilation is poor. The recommended strategy includes optimizing concrete proportion and pouring concrete in three layers, in which the first layer and the second layer are respectively provided with a thermal insulation buffer layer and a stress dissipation hole. The results of field tests verify the effectiveness of the recommended strategy for crack suppression.

Key words: assembly construction    prefabricated bridge pier    thermal stress    crack control    field test
收稿日期: 2020-01-11 出版日期: 2021-01-05
CLC:  U 443  
基金资助: 国家自然科学基金资助项目(51478422)
通讯作者: 徐荣桥     E-mail: lizhongnan6@163.com;xurongqiao@zju.edu.cn
作者简介: 李中南(1994―),男,硕士生,从事桥梁工程的研究. orcid.org/0000-0002-9191-5112. E-mail: lizhongnan6@163.com
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李中南
朱海波
赵阳
罗雪
徐荣桥

引用本文:

李中南,朱海波,赵阳,罗雪,徐荣桥. 装配式桥墩温度应力分析与裂纹控制[J]. 浙江大学学报(工学版), 2021, 55(1): 46-54.

Zhong-nan LI,Hai-bo ZHU,Yang ZHAO,Xue LUO,Rong-qiao XU. Thermal stress analysis and crack control of assembled bridge pier. Journal of ZheJiang University (Engineering Science), 2021, 55(1): 46-54.

链接本文:

http://www.zjujournals.com/eng/CN/10.3785/j.issn.1008-973X.2021.01.006        http://www.zjujournals.com/eng/CN/Y2021/V55/I1/46

材料 ρB/(kg·m?3)
碎石(5~16 mm) 314
碎石(16~25 mm) 734
中砂 759
PⅡ 52.5水泥 186
粉煤灰 83
矿粉 145
145
减水剂(标准型) 4.14
表 1  填芯混凝土初始配合比
图 1  桥墩与承台一般构造
图 2  连接部位详细构造
图 3  温度应力数值分析有限元模型
图 4  温度实测值和计算值的对比
图 5  桥墩表面主拉应力分布
图 6  热膨胀与温度梯度对拉应力的影响
图 7  混凝土入模温度对拉应力的影响
配合比 ρ(水泥)/
(kg·m?3)
ρ(粉煤灰)/
(kg·m?3)
ρ(矿粉)/
(kg·m?3)
${\theta _{\rm{s}}}$ /°C m
配合比1 160 120 120 59 0.69
配合比2 140 120 140 54 0.62
配合比3 120 120 160 48 0.50
表 2  优化配合比参数
图 8  冷却水管布置
参数 数值
E/MPa 2.5
$\rho $/(kg·m?3) 20
$\mu$ 0.09
$\lambda $/(W·m?2· K?1) 0.040
c /(J·kg?1·K?1) 121
表 3  橡塑海绵板材料参数
序号 控制措施 分析工况 ${\theta _1}$ /°C ${\theta _2}$ /°C ${p_{\rm{m}}}$ /
MPa
$({p_{\rm{m}}} - {p_0})\times$ ${p_0}^{-1}$/%
0 无措施 ? 65.4 23.2 ? 0
1 外壁保温与内腔通风 ? 65.2 17.8 6.31 ?1.1
2 应力扩散孔 方孔
(3.0 m×1.0 m)
55.8 21.6 5.98 ?6.3
圆孔
(直径1.6 m)
60.2 21.7 5.91 ?7.4
3 分层施工 层间间隔
时间48 h
61.8 22.0 5.74 ?10.0
层间间隔
时间72 h
59.0 21.3 5.13 ?19.6
层间间隔
时间96 h
56.8 20.1 4.72 ?26.0
4 优化混凝土配合比 配合比1 62.3 21.7 6.08 ?4.7
配合比2 57.5 19.7 5.49 ?13.9
配合比3 50.8 16.8 4.66 ?27.0
5 冷却水管 钢管 53.0 21.0 4.42 ?30.7
PVC管 55.0 21.8 4.80 ?24.8
6 隔热缓冲层 层高1.2 m 65.3 22.3 5.90 ?7.5
层高1.8 m 65.5 19.5 5.36 ?16.0
层高2.5 m 65.6 12.0 3.69 ?42.2
表 4  控制措施有效性计算结果
图 9  温度应力组合控制措施
图 10  温度和应变传感器的布置
施工层数 ${\theta _1}$/°C ${\theta _2}$/°C ${\theta _3}$/°C
实测值 计算值 实测值 计算值 实测值 计算值
注:1)括号内数据为温度数据对应的时间.
第1层2.5 m 83.0(52 h)1) 78.0(60 h) 17.8(40 h) 15.9(52 h) 12.7(28 h) 12.8(24 h)
第2层1.5 m 49.7(130 h) 73.3(140 h) 22.1(148 h) 22.0(140 h) ? ?
第3层1.8 m 81.6(210 h) 74.7(212 h) 26.9(210 h) 24.8(212 h) ? ?
表 5  现场试验最大温度
图 11  现场试验各测点的温度数据
10?6
测点 第1层2.5 m 第2层1.5 m 第3层1.8 m
εm εc εm εc εm εc
注:1)括号内数据为应变数据对应的时间.
1 98(96 h)1) 82(96 h) 92(96 h) 131(140 h) 68(220 h) 121(168 h)
2 105(96 h) 71(96 h) 98(96 h) 152(132 h) 82(244 h) 139(204 h)
3 44(62 h) 35(72 h) 106(160 h) 120(132 h) 108(244 h) 145(214 h)
4 25(96 h) ?9(96 h) 63(144 h) 75(140 h) 103(240 h) 120(240 h)
5 18(96 h) ?9(72 h) 60(129 h) 110(132 h) 90(224 h) 148(220 h)
6 60(96 h) 80(84 h) 86(122 h) 128(140 h) 63(224 h) 119(168 h)
7 48(96 h) 25(72 h) 85(129 h) 116(142 h) 90(240 h) 108(188 h)
8 38(62 h) ?3(96 h) 95(156 h) 90(140 h) 105(238 h) 147(212 h)
9 ?3(60 h) ?19(96 h) 44(152 h) 47(140 h) 87(220 h) 118(214 h)
表 6  现场试验的最大拉应变
图 12  现场试验各测点应变数据
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