上海市水利工程集团有限公司上海201612
摘要：本文主要是采用多场耦合收缩开裂评估模型，对淀山湖大桥主桥26m拱肋拱圈混凝土在基本工况下的温度、应力及开裂风险进行仿真分析。
1工程概况
淀山湖大桥位于上海市青浦区中西部朱家角镇，为了防汛通道贯通而设，桥梁总长1470m，共64跨，桥面总宽度为8m；其中：主桥采用跨径组合为26m+36m+48m+36m+26m=172m上承式钢筋混凝土空腹拱桥，拱上设侧墙，外观类似于实腹拱桥；北侧引桥跨径布置为7×（4×22）m+2×（3×22）m，桥面连续、结构简支，共计34跨，长748m；南侧引桥跨径布置为3×（3×22）m+4×（4×22）m，桥面连续、结构简支，共计25跨，长550m；基础均采用桩基础，其中主桥采用直径1.2m的钻孔灌注桩，引桥采用直径1.0m的钻孔灌注桩，均按摩擦桩设计，持力层为7-2层粉细砂。
主桥上部结构拱圈采用钢筋混凝土箱型结构，砼等级C50；拱圈截面采用单箱双室，拱肋高1.0m，顶底同宽8.0m，上、下底板厚0.2m，腹板厚1.0m。拱上建筑采用空腹式，排架式立柱盖梁，其上安装装配式钢筋混凝土连续桥面简支结构。
主桥拱圈基座为梯型结构，横向宽8.0m、砼强度等级C30；承台为矩形结构，砼强度等级C30，引桥下部结构采用钢筋砼盖梁，桩柱式桥墩。桥台结构采用扶壁式桥台，砼强度等级均为C30。
26m拱肋采取分块施工。拱圈施工节段划分情况为：①拱圈底板、腹板；②拱圈顶板。拱圈施工顺序①→②。
2混凝土收缩开裂计算模型
混凝土产生体积变化的主要原因在于环境和混凝土内部温、湿度变化产生的内部应力，混凝土的表观变形是材料内部及表面温湿度变化状态的反映。考虑到浇筑成型的实际混凝土结构处于水化-温度-湿度-约束多场耦合作用的环境，混凝土的体积变形具有湿-热-化学-力多因素耦合作用的本质，课题组基于多年来在混凝土变形开裂研究方面的理论和经验积累，建立了水泥基材料变形开裂的“水化-温度-湿度—约束”多场耦合评估机制和模型。在该项目研究中，课题组也采用该模型，结合淀山湖大桥主桥拱圈不同部位具体结构尺寸和约束情况，对不同工况下结构在约束条件下由于温度和收缩变形产生的应力分布进行了模拟分析，并基于开裂风险的应力评估准则，对淀山湖大桥主桥拱圈混凝土开裂风险进行评估。
混凝土变形开裂的“水化-温度-湿度-约束”多场耦合作用机制框图如图3所示。
不采用其他保温措施；取浇筑时的入模温度比当时的环境温度高2℃。
拱圈各典型截面特征点开裂风险时程曲线如图9所示。拱圈腹板处由于混凝土表面早期散热快，温降速率大，表面应力迅速上升，而此时混凝土抗拉强度还处于较低的水平，使得表面点开裂风险迅速增加超过1.0，因而早期极易产生“由表及里”型裂缝；后期内部拉应力超过抗拉强度，开裂风险较高，因而后期极有可能会从拱圈中间向上、下两端启裂，形成“枣核”型裂缝，甚至有可能发展成深层甚至“由里及表”型裂缝。拱圈底板处由于散热迅速，内外温差小，表面应力相对较小，虽超过0.7，但小于1.0，仍存在开裂风险；后期内部应力较小，远小于抗拉强度的70%，不存在开裂风险。
图9典型截面特征点开裂风险随时间变化的曲线
综上分析可知，26m拱肋拱圈混凝土早期表面开裂风险和后期内部开裂风险均较大，因此，需要采取有效的温控措施，以防止拱圈混凝土结构早期表面裂缝和后期内部裂缝的发生与发展。
6小结
本章主要采用“水化-温度-湿度—约束”多场耦合收缩开裂评估机制和模型，对淀山湖大桥主桥26m拱肋拱圈混凝土的温度、应力和开裂风险进行了理论评估，得到如下结论：
1）拱圈混凝土开裂风险主要来自于表面散快热和内外温差大产生的温度梯度，以及降温过程中底板老混凝土对边墙结构混凝土约束造成的上下变形不协调；此外，弧形拱圈属于异形结构，加剧了邻近混凝土间的约束突变。
2）拱圈腹板早期易产生“由表及里”型裂缝，后期极有可能会从支座附近混凝土中间向上、下两端启裂，形成“枣核”型裂缝，甚至有可能发展成深层甚至“由里及表”型裂缝。
3）拱圈底板早期表面应力相对较小，但亦虽超过0.7，存在开裂风险。后期内部应力远小于抗拉强度的70%，开裂风险较小。
参考文献：
[1]赵海涛、周澄等，牛头山双曲拱坝整体稳定三维非线性有限元仿真分析[J]，2004
[2]赵海涛、王潘秀，混凝土细观数值仿真分析前处理技术研究，2012