试分析简支预应力混凝土箱梁的收缩徐变效应

试分析简支预应力混凝土箱梁的收缩徐变效应

王安平

  云南云岭高速公路工程咨询有限公司  云南 昆明  650200

摘  要：在桥梁工程领域，简支预应力混凝土箱梁因其良好的受力性能和施工便捷性而得到广泛应用。在实际使用过程中，这种结构的收缩徐变效应成为影响桥梁长期性能和耐久性的关键因素之一。本文旨在通过分析简支预应力混凝土箱梁的收缩徐变效应，为该领域提供理论依据和技术支持，以期提高桥梁工程的质量和安全性。

关键词：混凝土箱梁；简支预应力；收缩徐变效应

随着交通基础设施建设的快速发展，桥梁工程作为连接各地的重要通道，其重要性日益凸显。简支预应力混凝土箱梁作为桥梁结构的一种重要形式，因其结构简单、受力明确、施工方便等优点而备受青睐。然而，在长期荷载作用下，混凝土材料的收缩徐变特性会导致桥梁结构内力和变形的显著变化，进而影响桥梁的承载能力和使用性能。因此，深入研究简支预应力混凝土箱梁的收缩徐变效应，对于确保桥梁的安全运营和延长使用寿命具有重要意义。

一、混凝土收缩徐变的基本理论及影响因素

（一）基本理论

混凝土收缩徐变是混凝土材料在长期荷载和环境因素作用下的一种物理现象[1]。混凝土收缩是指在混凝土凝结初期或硬化过程中出现的体积缩小现象，主要分为塑性收缩、化学收缩、干燥收缩及碳化收缩等类型。徐变则是指在长期荷载作用下，混凝土材料除了发生瞬时弹性变形外，还会发生随时间持续而增长的变形。徐变会使结构（构件）的变形增大，引起预应力损失，在长期高应力下甚至会导致结构破坏。

（二）影响因素

（1）‌水泥等级与用量‌

水泥等级越高，其水化反应越剧烈，产生的收缩应力也越大。水泥用量越多，混凝土中的水泥水化产物就越多，这些水化产物在硬化过程中会收缩，导致混凝土整体收缩增大。

（2）‌水灰比‌

水灰比越大，混凝土中的孔隙率就越高，水分蒸发后留下的孔隙越多，导致混凝土体积缩小[2]。此外，水灰比大还会使混凝土的强度降低，更容易发生收缩变形。

（3）‌应力条件‌

混凝土的应力越大，徐变变形也越大，这是因为应力会导致混凝土内部的微观结构发生变化，如微裂缝的产生和发展，从而促进徐变的发展。此外，长期持续的应力还会使混凝土内部的应力分布发生变化，进一步加剧徐变变形。

（4）‌加载龄期‌

加载时混凝土的龄期越早，徐变越大，这是因为早期混凝土的强度较低，微观结构尚未稳定，更容易发生变形[3]。此外，早期加载还会使混凝土内部的应力分布发生变化，加速徐变的发展。

（5）‌温湿度环境‌

高温干燥环境会加速混凝土内部水分的蒸发和微观结构的破坏，从而促进徐变的发展。湿度变化还会引起混凝土内部应力的变化，进一步加剧徐变变形。

二、简支预应力混凝土箱梁收缩徐变效应的控制措施

（一）优化混凝土配合比

在混凝土配合比的设计中，精确计算和调整水泥、骨料、外加剂等材料的比例至关重要。通过合理的配合比设计，可以优化混凝土的微观结构，减少孔隙率，从而提高混凝土的密实性和强度。通过这种方式，这不仅能够增强混凝土的耐久性，还能有效抵抗收缩和徐变效应的影响。同时，注意选用低水化热水泥。低水化热水泥的水化反应相对较为平缓，产生的热量较少，因此能够显著降低混凝土因水化热而引起的温度应力和收缩变形，还能提高混凝土的抗裂性能，进一步减少徐变的发生[4]。此外，在配合比设计时，还需要充分考虑骨料级配。骨料级配良好意味着骨料之间的空隙率较小，混凝土更加密实，这样的混凝土在受力时能够更好地分散应力，减少因应力集中而引起的裂缝和变形。

（二）加强施工控制

在施工过程中，对模板进行充分湿润，减少混凝土与模板之间的摩擦阻力，这不仅有助于混凝土的顺利浇筑，还能有效降低混凝土的收缩应力。因为摩擦阻力的减小意味着混凝土在硬化过程中受到的约束减少，从而减少了因约束而产生的收缩应力。为了确保混凝土内部均匀密实、减少孔隙和微裂缝产生，可以采用分层浇筑和振捣密实的方法。分层浇筑可以确保每层混凝土都能得到充分的振捣和密实，从而避免混凝土内部出现空洞和疏松区域。振捣密实则能够进一步排除混凝土中的气泡和多余水分，使混凝土更加紧密，减少孔隙和微裂缝的产生。在混凝土浇筑后，及时进行养护，保持混凝土表面的湿润，避免水分过快蒸发导致的干缩裂缝。通过定期洒水、覆盖保湿材料等方式，可以确保混凝土在硬化过程中有足够的水分进行水化反应，从而保持其强度和稳定性。此外，合理控制施工速度和加载时间，避免过早加载和过度振动对混凝土造成不利影响，确保混凝土在达到足够的强度后再进行加载和使用。

（三）合理控制施加预应力的时机与大小

混凝土从初凝到终凝的过程中，其强度会逐渐增长，如果预应力施加过早，混凝土强度不足，可能会导致混凝土开裂，进而影响结构的整体稳定性和安全性。因此，需要确保混凝土已达到足够的强度后再施加预应力。具体来说，可以通过试验或计算来确定混凝土达到所需强度的具体时间，并在此时间点之后施加预应力。预应力的大小也是影响收缩徐变效应的关键因素之一。预应力的大小应根据工程实际情况和设计要求来确定。一方面，预应力需要足够大，以抵抗混凝土的收缩徐变效应，保持结构的稳定性和承载能力。另一方面，预应力也不能过大，以免导致混凝土过度受压，产生不必要的变形和裂缝。因此，在施加预应力时，需要进行精确的计算和评估，以确保预应力的大小既满足设计要求，又不会对结构造成损害。此外，在施加预应力后，还需要加强监测和检查。通过定期监测预应力的变化，可以及时发现并处理可能出现的问题，采取相应的措施进行调整和修复。

（四）采用高性能外加剂

在混凝土中加入高性能外加剂，如聚丙烯纤维等抗裂纤维，可以显著提高混凝土的抗裂性能。抗裂纤维在混凝土内部形成三维网状结构，有效地分散和承担应力，从而减少了裂缝的产生和发展。当混凝土受到外力作用时，纤维能够吸收和分散应力，防止混凝土因应力集中而开裂。使用膨胀剂或膨胀水泥也是控制混凝土收缩的有效手段，可以在混凝土内部产生自应力，对混凝土的收缩进行补偿，从而减少徐变变形。膨胀剂能够与水泥水化产物发生化学反应，生成膨胀性产物，填充混凝土内部的孔隙和微裂缝，提高混凝土的密实性和强度[5]。此外，加入减水剂可以改善混凝土的工作性能，降低混凝土的水灰比，从而减少混凝土的孔隙率和收缩变形。减水剂吸附在水泥颗粒表面，形成一层润滑膜，使水泥颗粒之间的摩擦力减小，可以提高混凝土的流动性和可塑性。同时，减水剂还能够延缓水泥的水化速度，使混凝土在浇筑后能够更好地进行自密实和自养护。

结束语：

总而言之，收缩徐变作用会导致桥梁结构应力的重新分布和变形的显著增加，对桥梁的长期性能和耐久性产生不利影响。因此，在桥梁工程中，应充分考虑混凝土的收缩徐变特性，采取优化混凝土配合比、加强施工控制、合理控制施加预应力的时机与大小以及采用高性能外加剂等措施，有效控制简支预应力混凝土箱梁的收缩徐变效应，提高结构的耐久性和安全性。

参考文献：

[1] 孙贯拓,赵呈涛. 简支预应力混凝土箱梁的收缩徐变效应研究[J]. 城市建筑,2024,21(12):210-212.

[2] 陈海涛,邓运清,徐升桥. 高速铁路常用跨度32m预应力混凝土简支箱梁优化设计研究[J]. 铁道标准设计,2023,67(9):76-82.

[3] 张磊. 城际铁路预应力混凝土简支箱梁梁端局部应力分析[J]. 工程建设与设计,2021(22):36-39.

[4] 汪新凯. 预应力混凝土节段预制胶接拼装简支箱梁静载试验研究[J]. 运输经理世界,2023(24):82-84.

[5] 周毅. 先简支后连续预应力混凝土箱梁桥施工力学性能研究[D]. 江苏:东南大学,2022.