公路大吨位箱梁早期水化热温度场试验研究

摘 要：早期水化热是导致大吨位箱梁混凝土早期开裂的主要原因之一。以杭甬复线宁波段一期工程的40 m预制箱梁为背景，开展早期水化热试验研究。研究结果表明，40 m箱梁早期水化热温度变化总体呈“温升—高温持续—降温”的变化规律；水化热最高温度出现在端部截面右侧腹板芯部，最高温度为77.0℃,出现时间为混凝土开始浇筑后第30 h;混凝土最大温差出现在箱梁端部截面右侧腹板芯部—腹板内表层，最大温差为21.5℃,出现时间为混凝土开始浇筑后第35 h;由于箱梁端部腹板较厚，混凝土芯部热量相对不易散失，导致端部混凝土升温速率大于跨中截面；同时，外界环境对大吨位箱梁水化热温度峰值、升降温速率、内表温差有重要影响。试验结果可为大吨位箱梁施工养护和裂缝防控提供参考。

关键词：大吨位箱梁;早期水化热;温度场;试验研究;

收稿日期：2022-04-12

Received： 2022-04-12

大吨位预应力混凝土箱梁中，混凝土强度等级高，截面局部尺寸大，使得混凝土早期水化放热量大，混凝土温度高、收缩大，极易引起混凝土开裂。混凝土一旦开裂，特别是沿海环境下，将会严重降低结构耐久性，给结构的长期使用带来巨大的安全隐患。在大型箱梁预制期间，随着水泥水化反应放出大量的热，梁体温度随之升高，由于混凝土表面和芯部散热不一，易在梁体结构中产生温度梯度，在约束作用下，将会产生温度应力。尤其在浇筑成型早期，混凝土强度较低，一旦温度梯度过大，温度应力超过混凝土抗拉强度，混凝土将发生开裂。

针对混凝土箱梁温度场问题，汪建群、贺国峰、张文伟等[1,2,3]对现浇大跨预应力混凝土连续梁桥进行了水化热测试分析及理论计算，并提出了相关裂缝预防控制措施；刘芳平等[4]研究了悬臂施工过程中箱梁水化热温度场，并用Midas/FEA建立有限元模型进行了数值计算；戴公连等[5]对长沙中低速磁浮混凝土箱梁进行了水化热温度分布的连续观测，研究了夏季和冬季两种外界环境温度对箱梁的影响；张岗、陈志坚等[6,7]等对混凝土箱梁0号块在施工控制过程中的水化热温度场进行了研究，并将实测数据和数值模拟结果进行了比对，提出了混凝土箱梁温度裂缝的预防措施；樊简等[8]对白水冲特大桥混凝土箱梁在两种典型天气下的水化热温度场进行试验和分析，获得了实测温度场梯度模式；卫俊岭等[9]以某大跨混凝土连续箱梁桥为研究对象，采用ANSYS软件建立了二维瞬态日照温度场模型，实测与模拟结果吻合良好；刘勇等[10]基于气象条件对客运专线简支箱梁在日照作用下的温度场进行了研究，分析了相关参数对箱梁温度场的影响。

混凝土箱梁早期裂缝的影响因素众多。在大吨位箱梁实际预制施工过程中，一旦施工措施不到位，则极易发生早期温度裂缝。本文针对40 m公路大吨位整孔预制箱梁的早期水化热温度场进行研究，以明确箱梁早期水化热的温度峰值、内表温差、升降温速率等，并为后续改善施工工艺、优化混凝土配合比、确定预张拉时机等提供重要参考依据。

杭州湾地区环线并行线G92N(杭甬高速复线)宁波段一期工程采用设计速度120 km/h的高速公路标准，设双向六车道，设计荷载等级为公路—Ⅰ级。其中，整孔预制箱梁段落桩号为K14 152～K31 020,线路全长16.868 km, 跨径分别为32 m、37 m、40 m(2.6 m梁高)、40 m(3.2 m梁高)、50 m, 50 m拼宽梁共805片。

本试验选取40 m整孔预制箱梁，端部标准断面如图1所示。箱梁中心高度为2.6 m, 箱梁顶板宽1 630 cm, 顶板及底板厚度均为60 cm。箱梁翼缘板悬臂长度为400 cm, 悬臂端部厚度为20 cm, 悬臂根部厚度60 cm。整孔预制箱梁中跨梁重约1 227 t。

图1 40 m整孔预制箱梁端部标准断面 下载原图

40 m箱梁混凝土配合比见表1。

表1 C50混凝土配合比 导出到EXCEL

kg/m3

为充分反映梁体混凝土水化热在箱梁内部的变化规律，结合40 m中跨整孔箱梁结构特点，水化热温度测试共选取两个测试截面，分别为端部截面和跨中截面，如图2所示。其中，箱梁端部截面腹板厚度为100 cm, 跨中截面腹板厚度为50 cm。同时，在箱梁端部及跨中截面箱室内、外分别布置环境温度传感器，以测试箱梁内、外环境温度变化规律。箱梁端部及跨中截面测点布置如图3所示，由于跨中截面腹板厚较薄，故未布置腹板以及顶、底板内外表层测点。试验梁共内埋智能型温度传感器44个。现场试验照片如图4所示。温度数据采集时间间隔为1 h。

图2 40 m箱梁水化热测试截面 下载原图

图3 截面测点布置 下载原图

图4 现场试验照片 下载原图

40 m整孔预制箱梁于2020年7月12日上午6:40开始浇筑混凝土，并于当天下午18:00左右完成浇筑，属于夏季施工范畴。由于梁体混凝土浇筑时间略有差异，测试数据分析均基于梁体混凝土开始浇筑时间起算。

实测混凝土入模温度为30℃左右。由于箱梁温度测点较多，为便于分析，将各测试截面测点分成顶板、顶腹板交接位置、腹板、底腹板交接位置以及底板共5个区域。

实测环境温度随时间的变化如图5所示。由于施工原因，箱内环境温度测点由于脱端模而被损坏，因此只有前26 h数据。根据实测结果，大吨位箱梁由于水化热温度高、放热量大，因此箱内环境温度与室外环境温度相差较大；且由于夏季施工，箱梁顶板上方受太阳辐射，最高温度接近45℃,对混凝土温度控制较为不利。而箱室外环境测点，由于日照、风速、场地原因等影响，箱梁不同位置环境温度不完全统一，尤其是大尺寸箱梁，差异会更加明显。

图5 环境温度～时程曲线 下载原图

箱梁端部截面温度及温差～时程变化曲线如图6所示。箱梁测点温度随时间总体呈“温升—高温持续—降温”的变化趋势。总体升温速率大于降温速率，说明大吨位箱梁由于截面尺寸较大，导致梁体内积聚的热量不易散失。测试箱梁端部各测点均在30～35 h时可达到温度峰值附近，测试最高温度为77.0℃,出现在右侧腹板芯部。而相同时刻，左侧腹板芯部最高温度同样达到76.9℃,两对称位置温度峰值接近，且腹板芯部70℃以上高温持续时间约为25 h。

箱梁温差随时间呈现先增大后减小的趋势，箱梁最大温差为21.5℃,出现在箱梁开始浇筑后35 h左右，位置为右侧腹板芯部—右侧腹板内表层。箱梁混凝土开始浇筑后40 h左右，混凝土温度和温度差值均开始呈现较为明显的下降趋势，箱梁温度在90 h前后基本降至50℃以下。

箱梁跨中截面温度及温差时程变化曲线如图7所示。测点温度同样随时间总体呈“温升—高温持续—降温”的变化趋势，与端部截面一致。跨中截面升温速率与降温速率较为接近，表明跨中截面尺寸相对较薄，对于热量扩散较为有利。测试箱梁跨中截面除底板测点相对较早达到温度峰值外，其余测点均在30～35 h时可达到温度峰值附近，与端部截面类似。测试跨中截面最高温度为71.7℃,出现在第33 h, 位置为右侧顶腹板底部。而相同时刻，左侧顶腹板底部最高温度为62.7℃,两对称位置温度有所差异，主要原因是跨中截面尺寸相对较薄，混凝土温度受外界环境影响较大。

实测箱梁跨中截面最大温差为16.6℃,出现在箱梁开始浇筑后41 h左右，位置为右侧腹板芯部—上表层。跨中截面由于截面尺寸相对较薄，因此混凝土内表温差同样有所降低。

本试验箱梁预制属于夏季施工，受外界高温环境的影响，混凝土温度峰值达到77.0℃,不利于混凝土箱梁温度裂缝控制。因此，夏季施工时应采取降低混凝土入模温度、优化混凝土配合比、采取夜间浇筑等措施，降低混凝土温度峰值。

实测混凝土最大内表温差为21.5℃,实际可采取加装保温板等措施，控制内表温差。在外界风速或气温变化较大的情况下，在箱梁浇筑完成后，端部可采用篷布进行密封，以避免穿堂风导致箱内温度骤然下降，造成混凝土开裂。

本试验测得的温度峰值和最大温差出现时间较为接近。在箱梁后续降温过程中，受模板约束影响，混凝土会产生较大的拉应力，容易出现温度裂缝。因此，在混凝土强度和弹模满足要求时，箱梁预张拉宜及早进行。预应力张拉时应采取降低箱梁内模的方式，以减少箱梁顶板与模板的摩擦，改善预张拉效果，防止裂缝产生。

图6 端部截面温度及温差～时程变化曲线 下载原图

图7 跨中截面温度及温差时程变化曲线 下载原图

(1)40 m箱梁早期水化热温度场总体呈“温升—高温持续—降温”变化趋势，端部截面总体升温速率大于降温速率，且端部截面由于腹板厚度相对较厚，温度峰值大于跨中截面。

(2)40 m箱梁早期水化热在30 h左右达到最高温度附近，最高温度为77.0℃,出现在端部截面右侧腹板芯部。相同位置处左侧腹板芯部最高温度为76.9℃,且70℃以上高温持续时间约为25 h。

(3)对比同一位置处混凝土芯部与表层、芯部与底层混凝土温度差，箱梁最大温度差为21.5℃,出现在箱梁开始浇筑后35 h左右，位置为端部截面右侧腹板芯部—腹板内表层。箱梁混凝土开始浇筑后40 h左右，混凝土温度和温差均呈现较为明显的下降趋势。

(4)除混凝土自身因素外，外界环境也是影响大吨位箱梁早期水化热的重要因素。夏季施工时，应采取相关措施控制混凝土温度峰值、升降温速率及内表温差；同时，在条件允许情况下，大吨位箱梁应尽早进行预张拉。

[1] 汪建群，方志，刘杰．大跨预应力混凝土箱梁水化热测试与分析[J]．桥梁建设，2016,46(5):29-34．

[2] 贺国峰，刘永健，张宁，刘江．大跨混凝土箱梁水化热温度场的现场实测分析[J]．公路，2019,64(4):125-131．

[3] 张文伟，杨植春，朱坤．某预应力混凝土箱梁桥水化热测试及分析[J]．中外公路，2015,35(4):162-165．

[4] 刘芳平，周建庭，宋军，吴恒．悬臂施工过程中箱梁水化热温度场研究[J]．施工技术，2013,42(11):97-100．

[5] 戴公连，岳喆．混凝土箱梁早期温度测试与分析[J]．武汉大学学报：工学版，2019,52(2):139-144．

[6] 张岗，任伟，贺拴海，许世展，宋一凡．箱梁水化热温度场时效模式及时变应力场[J]．长安大学学报：自然科学版，2008,(4):51-56．

[7] 陈志坚，顾斌．大型混凝土箱梁水化热温度场的数值模拟[J]．公路交通科技，2012,29(3):64-69．

[8] 樊简，郭凡，张栋梁．预应力混凝土箱梁水化热及温度场试验研究[J]．铁道建筑，2013,(4):20-22．

[9] 卫俊岭，王浩，茅建校，祝青鑫，王飞球，谢以顺．混凝土连续箱梁桥温度场数值模拟及实测验证[J]．东南大学学报：自然科学版，2021,51(3):378-383．

[10] 刘勇，苏海霆，戴公连．基于气象条件的客运专线简支箱梁日照温度场研究[J]．铁道学报，2019,41(2):154-159.

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