论文部分内容阅读
摘 要：本文分析了温度应力对混凝土箱梁开裂的影响。通过对混凝土水化热温度的实测与模拟计算对比分析，得出箱梁截面的温度分布和其随时间变化的规律及特点，并提出了避免这种开裂的建议及防止病害发生的对策措施。
关键词：混凝土箱梁 ；水化热 ；温度裂缝
中图分类号： U448.213 文献标识码：A
近几年来在桥梁工程建造过程中，部分桥梁结构在混凝土拆模后或拆模后几天内发现较多裂缝。资料表明，水化热引起的混凝土温度梯度产生的应力足以使箱梁表面产生裂缝。水泥在水化过程中释放大量的热量，由于混凝土的导热性能较差，造成混凝土表面与混凝土截面核心之间，混凝土内外表面之间存在一定温差，从而导致温度应变差，也就存在温度拉应力。所以，温度裂缝不仅在大体积混凝土结构中，而且在混凝土箱梁结构中也不可忽視，有必要深入研究箱梁水化热温度的发展规律。
本文通过对混凝土水化热温度的实测与模拟计算对比分析，得出箱梁截面的温度分布和其随时间变化的规律及特点，并提出了避免这种崩裂的建议及防止病害发生的对策措施。
1.桥梁大体积混凝土温度裂缝产生的机理
箱形梁混凝土的水化热温度发展规律与大体积混凝土结构相似，且水化热温度更高。箱形梁局部尺寸虽然较大但从施工角度和从保证梁体质量考虑不宜设冷却管等水工结构物常用的降温措施，这也使箱梁混凝土水化热温度的峰值高于大坝的水化热温度。另外，箱梁混凝土等级较高，水泥用量大，箱梁内部空间空气流通不畅等也是混凝土温度较高的原因。Fritz Leonhardt 曾提到： 在箱形桥梁和肋板桥梁的顶面和下缘之间温差可达到27℃～33℃， 预应力混凝土箱形桥梁大都因温差应力而损坏。随着预应力混凝土箱梁桥的跨度增大，温度应力可以达到甚至超过由活载引起的应力， 温度对混凝土结构的影响已越来越引起工程界的广泛重视。
2.工程概况
本工程为云南某跨越龙江而设计的大桥，全桥由三联组成：主桥为 （58+102.25+63）m连续刚构桥。该工程设计桥宽12.0m，最大桥高约70.0m，箱梁顶宽12 m，底宽7 m，根部断面梁高8 m，跨中和边跨现浇段梁高3.0 m，腹板厚4O～70 cm，底板厚30～80 cm，设支点横隔板，不设跨中横隔板。箱梁采用C50混凝土，三向预应力结构，箱梁高度及底板厚均按二次抛物线变化。对于0～5号块，在距梁顶300cm处均设置厚30cm的水平板，如图1。
本工程选择有代表性的两个测试截面：中支座截面和中跨跨中截面。根据水化热温度理论及以往的测试经验，测点布置的原则是选择局部尺寸较大的位置。通过实际工程测温， 可以发现环境温度变化比较剧烈， 而各测点的温度变化很小，混凝土浇筑初期， 各测点的温度都较低， 随着拌和料的水化反应， 放出大量的热， 各测点的温度开始上升。
图1 测点布置
3.温度分布规律与分析
根据实际现场施工，在计算中考虑混凝土分层浇注、层厚、水化热温升变化、徐变、材料不同分区、浇注温度、对流边界条件等条件和因素，按照实际施工顺
序，合理选取载荷步长，考虑施工间歇的影响。气温分别采用实测气温的拟合值，腹板的竖向温度梯度拟合曲线如图：
图2 气温为25℃和22℃时的腹板温度分布
根据温度测试结果，可以得到混凝土水化热温度随观测时间变化的温度曲线，测试结果如图所示。从图中不难发现，箱梁混凝土入模5小时以后，水化热温度开始迅速增长，15小时左右时到达温度峰值。自混凝土达到最高温度后，开始进入较缓慢的降温阶段，但是如果要完全降至和环境温度相同时大约需4～5天，并且箱梁水化热温度的发展与大体积混凝土水化热温度规律相似。
图3 箱梁跨中截面腹板底部测点温度发展
图4 箱梁跨中截面腹板顶部测点温度发展
图5 箱梁跨中截面腹板厚度方向测点温度比较
由图3可见，本桥箱梁混凝土的水化热温度随混凝土龄期发展经历了温度上升阶段和下降阶段，上升段曲线曲率明显大于下降段。上升与下降段的分界点为相
应测点的峰值温度点，同一截面不同测点的峰值温度也不同，实测该桥混凝土內部峰值温度为52. 3～71. 7 ℃。高峰值温度出现在上梗斜处，这是因为该处局部尺寸较大，水化热较高且不易散发。图4为大桥箱梁混凝土水化热温度时程曲线，通过比较，其与同类桥梁水化热温度时程曲线的变化规律基本相同，明显不同之处就是其峰值温度有所不同。梁顶面没有模板覆盖，通风情况好，且灌注后撒水养护，故水化热温度较低，温度下降较快；底板的木模板导热性较差，且底板厚度较顶板大，水化热温度较高。
本桥为底板调平连续刚构桥，主跨达102米，箱梁内模有支撑构件，内模所包围空间内空气不易流通；木模导热性较差导致腹板热量在三个方向均不易散发，造成腹板温度略高于底板，腹板厚度中间点温度高于腹板表面测点温度。腹板厚度方向上的三个测点的温度差值并不大，最大差值为7.5℃，不会引起开裂，拆模后也未发现裂缝。这一方面是由于上述木模不易散热，另外，施工季节为夏季，环境温度较高，对混凝土外表面的“降温冲击”效果不明显。
依据以上实测结果可知，梁体温度与环境温度相差可达到40 ℃以上，如此大的温差会导致拆模时，在板表面形成很大的拉应力，容易产生受拉裂缝。因此，在工程实践中要合理地控制拆模时间及加强养护以控制温度裂缝。
4 箱梁温度裂缝的控制与技术措施
桥梁结构温度场及温度应力是目前工程实际中遇到的较为突出的一个课题，即使采用了各种技术措施，温度裂缝仍不可避免，因此对此类问题的研究仍然有待深入。温度裂缝一直是箱梁混凝土施工中困扰施工和工程质量的重要问题，不仅影响混凝土外观质量和混凝土耐久性，还降低箱梁结构使用性能，处理繁琐，费用高昂，效果亦不理想。 本文进行了初步的理论研究，并从温度应力的理论上对所得数据的可靠性进行了验证，但是欲将研究结果应用于实际工程中仍然需要大量的理论和试验工作。控制温度裂缝，通常就是要控制混凝土的水化热温度峰值和内外温差。对于箱梁混凝土，其经验水化热温差控制值一般為15～20 ℃。
温度控制的目的是控制温度应力，使混凝土的最大拉应力控制在允许范围之内，避免温度裂缝。在工程实践中，一般情况下，温度控制可以采取以下措施：
4. 1 采用“双掺”技术，降低水泥水化热。
水泥是几种熟料矿物的混合物，通过改变熟料之间的配比可以降低水泥水化热的产生。除此之外，还可掺加一部分粉煤灰取代等体积的水泥，超量部分粉煤灰则取代了等体积的砂子，是一种既能保持混凝土强度及和易性，又能节约水泥用量的混凝土配合比设计方法。
4. 2 选择合理的混凝土浇注工艺。
根据外界环境温度，降低混凝土的入模温度，尽量避免在高温天气下浇筑。夏季施工时，应设置一些简易的遮阳棚用于储存骨料，浇筑时间最好选在晚上10∶00至凌晨5∶00之时浇注混凝土，这样可以加大散热面，并预埋水管，通水冷却，能有效地降低混凝土内部的温度峰值，减小内外温差。
4. 3 增设防裂钢筋
增配构造钢筋，提高抗裂性能，根据结构性能要求配置小直径、小间距的构造钢筋。避免结构突变产生应力集中，在易产生应力集中的薄弱环节采取加强措施。在易裂的边缘部位设置暗梁，提高该部位的配筋率，提高混凝土的抗拉性能。在混凝土表层布设抗裂钢筋网片，防止混凝土表面产生裂缝。
4. 4 加强混凝土的养生与保温养护。
混凝土内部温度达到峰值后，降温阶段最容易出现裂缝，加强表面的保温蓄热养生，减缓气温骤降的冲击，减小表面的降温速度和温度梯度，可以达到降低内外温差的目的。所以，混凝土浇注完毕后，及时按规范要求进行养生，尽可能降低混凝土内部、外表、外界环境的温度梯度，防止混凝土温度收缩裂缝的发生。
5 结论
5.1 本箱梁实测混凝土的水化热温度最高值69.4℃，说明混凝土的水化热温度相当高，应引起注意。
5.2 在一定的温度梯度影响下， 箱梁腹板上下边缘横桥向的应力明显增大， 造成腹板上下边缘开裂， 且温度梯度越大， 产生的应力越大， 腹板开裂越严重。
5.3 控制混凝土入模温度，温度越高水化热温度越高，温度裂缝越容易出现。
5.4 完善现有的材料体系，有条件时，可采用新型钢纤维混凝土材料，可有效减小混凝土的收缩。
5.5 探索新型的箱梁混凝土水化热温度的试验方法，完善温度监控措施，以便更准确的预测箱梁水化热温度变化梯度。
参考文献：
[1] 王铁梦.工程结构裂缝控制.北京：中国建筑出版，1997.
[2] 朱伯芳.大體积混凝土温度应力与温度控制.中国电力出版社，1999.
[3] 陈仲先，金初阳，等.厦门海沧大桥东锚碇温控监测与温控效果.桥梁建设，1999（2）03.
[4] 项海帆.高等桥梁结构理论.[M].北京：人民交通出版社， 2001.
[5] 冯德飞.混凝土箱梁水化热温度试验研究.[J].铁道工程学报.2006.11.
[6]王铁梦.大体积混凝土的瞬态温度场和温度收缩应力的计算机仿真[J].工业建筑，1990，（1）.
作者简介：姓名：王亮；性别：男；出生年月：1984年5月；职称：硕士研究生；现工作单位：廊坊市城乡规划设计院；
关键词：混凝土箱梁 ；水化热 ；温度裂缝
中图分类号： U448.213 文献标识码：A
近几年来在桥梁工程建造过程中，部分桥梁结构在混凝土拆模后或拆模后几天内发现较多裂缝。资料表明，水化热引起的混凝土温度梯度产生的应力足以使箱梁表面产生裂缝。水泥在水化过程中释放大量的热量，由于混凝土的导热性能较差，造成混凝土表面与混凝土截面核心之间，混凝土内外表面之间存在一定温差，从而导致温度应变差，也就存在温度拉应力。所以，温度裂缝不仅在大体积混凝土结构中，而且在混凝土箱梁结构中也不可忽視，有必要深入研究箱梁水化热温度的发展规律。
本文通过对混凝土水化热温度的实测与模拟计算对比分析，得出箱梁截面的温度分布和其随时间变化的规律及特点，并提出了避免这种崩裂的建议及防止病害发生的对策措施。
1.桥梁大体积混凝土温度裂缝产生的机理
箱形梁混凝土的水化热温度发展规律与大体积混凝土结构相似，且水化热温度更高。箱形梁局部尺寸虽然较大但从施工角度和从保证梁体质量考虑不宜设冷却管等水工结构物常用的降温措施，这也使箱梁混凝土水化热温度的峰值高于大坝的水化热温度。另外，箱梁混凝土等级较高，水泥用量大，箱梁内部空间空气流通不畅等也是混凝土温度较高的原因。Fritz Leonhardt 曾提到： 在箱形桥梁和肋板桥梁的顶面和下缘之间温差可达到27℃～33℃， 预应力混凝土箱形桥梁大都因温差应力而损坏。随着预应力混凝土箱梁桥的跨度增大，温度应力可以达到甚至超过由活载引起的应力， 温度对混凝土结构的影响已越来越引起工程界的广泛重视。
2.工程概况
本工程为云南某跨越龙江而设计的大桥，全桥由三联组成：主桥为 （58+102.25+63）m连续刚构桥。该工程设计桥宽12.0m，最大桥高约70.0m，箱梁顶宽12 m，底宽7 m，根部断面梁高8 m，跨中和边跨现浇段梁高3.0 m，腹板厚4O～70 cm，底板厚30～80 cm，设支点横隔板，不设跨中横隔板。箱梁采用C50混凝土，三向预应力结构，箱梁高度及底板厚均按二次抛物线变化。对于0～5号块，在距梁顶300cm处均设置厚30cm的水平板，如图1。
本工程选择有代表性的两个测试截面：中支座截面和中跨跨中截面。根据水化热温度理论及以往的测试经验，测点布置的原则是选择局部尺寸较大的位置。通过实际工程测温， 可以发现环境温度变化比较剧烈， 而各测点的温度变化很小，混凝土浇筑初期， 各测点的温度都较低， 随着拌和料的水化反应， 放出大量的热， 各测点的温度开始上升。
图1 测点布置
3.温度分布规律与分析
根据实际现场施工，在计算中考虑混凝土分层浇注、层厚、水化热温升变化、徐变、材料不同分区、浇注温度、对流边界条件等条件和因素，按照实际施工顺
序，合理选取载荷步长，考虑施工间歇的影响。气温分别采用实测气温的拟合值，腹板的竖向温度梯度拟合曲线如图：
图2 气温为25℃和22℃时的腹板温度分布
根据温度测试结果，可以得到混凝土水化热温度随观测时间变化的温度曲线，测试结果如图所示。从图中不难发现，箱梁混凝土入模5小时以后，水化热温度开始迅速增长，15小时左右时到达温度峰值。自混凝土达到最高温度后，开始进入较缓慢的降温阶段，但是如果要完全降至和环境温度相同时大约需4～5天，并且箱梁水化热温度的发展与大体积混凝土水化热温度规律相似。
图3 箱梁跨中截面腹板底部测点温度发展
图4 箱梁跨中截面腹板顶部测点温度发展
图5 箱梁跨中截面腹板厚度方向测点温度比较
由图3可见，本桥箱梁混凝土的水化热温度随混凝土龄期发展经历了温度上升阶段和下降阶段，上升段曲线曲率明显大于下降段。上升与下降段的分界点为相
应测点的峰值温度点，同一截面不同测点的峰值温度也不同，实测该桥混凝土內部峰值温度为52. 3～71. 7 ℃。高峰值温度出现在上梗斜处，这是因为该处局部尺寸较大，水化热较高且不易散发。图4为大桥箱梁混凝土水化热温度时程曲线，通过比较，其与同类桥梁水化热温度时程曲线的变化规律基本相同，明显不同之处就是其峰值温度有所不同。梁顶面没有模板覆盖，通风情况好，且灌注后撒水养护，故水化热温度较低，温度下降较快；底板的木模板导热性较差，且底板厚度较顶板大，水化热温度较高。
本桥为底板调平连续刚构桥，主跨达102米，箱梁内模有支撑构件，内模所包围空间内空气不易流通；木模导热性较差导致腹板热量在三个方向均不易散发，造成腹板温度略高于底板，腹板厚度中间点温度高于腹板表面测点温度。腹板厚度方向上的三个测点的温度差值并不大，最大差值为7.5℃，不会引起开裂，拆模后也未发现裂缝。这一方面是由于上述木模不易散热，另外，施工季节为夏季，环境温度较高，对混凝土外表面的“降温冲击”效果不明显。
依据以上实测结果可知，梁体温度与环境温度相差可达到40 ℃以上，如此大的温差会导致拆模时，在板表面形成很大的拉应力，容易产生受拉裂缝。因此，在工程实践中要合理地控制拆模时间及加强养护以控制温度裂缝。
4 箱梁温度裂缝的控制与技术措施
桥梁结构温度场及温度应力是目前工程实际中遇到的较为突出的一个课题，即使采用了各种技术措施，温度裂缝仍不可避免，因此对此类问题的研究仍然有待深入。温度裂缝一直是箱梁混凝土施工中困扰施工和工程质量的重要问题，不仅影响混凝土外观质量和混凝土耐久性，还降低箱梁结构使用性能，处理繁琐，费用高昂，效果亦不理想。 本文进行了初步的理论研究，并从温度应力的理论上对所得数据的可靠性进行了验证，但是欲将研究结果应用于实际工程中仍然需要大量的理论和试验工作。控制温度裂缝，通常就是要控制混凝土的水化热温度峰值和内外温差。对于箱梁混凝土，其经验水化热温差控制值一般為15～20 ℃。
温度控制的目的是控制温度应力，使混凝土的最大拉应力控制在允许范围之内，避免温度裂缝。在工程实践中，一般情况下，温度控制可以采取以下措施：
4. 1 采用“双掺”技术，降低水泥水化热。
水泥是几种熟料矿物的混合物，通过改变熟料之间的配比可以降低水泥水化热的产生。除此之外，还可掺加一部分粉煤灰取代等体积的水泥，超量部分粉煤灰则取代了等体积的砂子，是一种既能保持混凝土强度及和易性，又能节约水泥用量的混凝土配合比设计方法。
4. 2 选择合理的混凝土浇注工艺。
根据外界环境温度，降低混凝土的入模温度，尽量避免在高温天气下浇筑。夏季施工时，应设置一些简易的遮阳棚用于储存骨料，浇筑时间最好选在晚上10∶00至凌晨5∶00之时浇注混凝土，这样可以加大散热面，并预埋水管，通水冷却，能有效地降低混凝土内部的温度峰值，减小内外温差。
4. 3 增设防裂钢筋
增配构造钢筋，提高抗裂性能，根据结构性能要求配置小直径、小间距的构造钢筋。避免结构突变产生应力集中，在易产生应力集中的薄弱环节采取加强措施。在易裂的边缘部位设置暗梁，提高该部位的配筋率，提高混凝土的抗拉性能。在混凝土表层布设抗裂钢筋网片，防止混凝土表面产生裂缝。
4. 4 加强混凝土的养生与保温养护。
混凝土内部温度达到峰值后，降温阶段最容易出现裂缝，加强表面的保温蓄热养生，减缓气温骤降的冲击，减小表面的降温速度和温度梯度，可以达到降低内外温差的目的。所以，混凝土浇注完毕后，及时按规范要求进行养生，尽可能降低混凝土内部、外表、外界环境的温度梯度，防止混凝土温度收缩裂缝的发生。
5 结论
5.1 本箱梁实测混凝土的水化热温度最高值69.4℃，说明混凝土的水化热温度相当高，应引起注意。
5.2 在一定的温度梯度影响下， 箱梁腹板上下边缘横桥向的应力明显增大， 造成腹板上下边缘开裂， 且温度梯度越大， 产生的应力越大， 腹板开裂越严重。
5.3 控制混凝土入模温度，温度越高水化热温度越高，温度裂缝越容易出现。
5.4 完善现有的材料体系，有条件时，可采用新型钢纤维混凝土材料，可有效减小混凝土的收缩。
5.5 探索新型的箱梁混凝土水化热温度的试验方法，完善温度监控措施，以便更准确的预测箱梁水化热温度变化梯度。
参考文献：
[1] 王铁梦.工程结构裂缝控制.北京：中国建筑出版，1997.
[2] 朱伯芳.大體积混凝土温度应力与温度控制.中国电力出版社，1999.
[3] 陈仲先，金初阳，等.厦门海沧大桥东锚碇温控监测与温控效果.桥梁建设，1999（2）03.
[4] 项海帆.高等桥梁结构理论.[M].北京：人民交通出版社， 2001.
[5] 冯德飞.混凝土箱梁水化热温度试验研究.[J].铁道工程学报.2006.11.
[6]王铁梦.大体积混凝土的瞬态温度场和温度收缩应力的计算机仿真[J].工业建筑，1990，（1）.
作者简介：姓名：王亮；性别：男；出生年月：1984年5月；职称：硕士研究生；现工作单位：廊坊市城乡规划设计院；