談混凝土箱梁溫度效應與裂縫控制★

張滿健 黃金明 李長鳳

(黑龍江科技學院建筑工程學院，黑龍江哈爾濱 150027)

0 引言

近年來國內橋梁事業的飛速發展，由溫度引起的橋梁結構的變形以及溫度作用產生的裂縫等問題已不容忽視。20世紀以來，國內外都發現由于溫度應力導致混凝土橋梁結構發生嚴重損裂的事故。德國Jagst厚腹板箱板橋通車后第五年發現了嚴重裂縫，估計溫度拉應力高達2.6 MPa;美國對ChamPigny箱型橋梁的支座反力進行的觀測結果顯示，其日內變化幅度高達26%，也同樣得出會引起較大的應力變化。在國內，湖北光華大橋在1984年發現有明顯的裂縫，九江長江大橋、漓江二橋等也發生了裂損。如何能夠有效防治這類裂縫的產生，一直是混凝土結構施工的一個重大問題。因此，本文分析施工過程中混凝土的施工溫度與裂縫的關系，針對裂縫成因探討相關的處理措施，為今后混凝土橋梁的設計與施工提供了參考。

1 溫度變化引起混凝土裂縫的主要原因

混凝土結構裂縫的成因復雜而繁多，甚至多種因素相互影響。其中混凝土具有熱脹冷縮的性質，當外部環境或結構內部溫度發生變化，混凝土將發生變形，若變形遭到約束，則在結構內將產生應力，當應力超過混凝土抗拉強度時，即會產生溫度裂縫。在某些大跨徑橋梁中，溫度應力可以達到甚至超出活載應力。溫度裂縫區別其他裂縫最主要特征是將隨溫度變化而擴張或合龍。引起溫度變化的主要因素有以下四個方面:

1)水泥水化熱——混凝土中的主要溫度因素。水泥的水化熱一般出現在施工的過程中以及后期的養護階段。由于水泥水化過程中將產生大量熱量，一般出現在大體積混凝土澆筑和初期養護階段，致使內部溫度很高。隨著水泥水化反應的結束及混凝土的不斷散熱，混凝土由升溫階段過渡到降溫階段?；炷林行呐c表面部分內外溫差太大，致使表面出現裂縫。為此，可盡量選擇水化熱低的水泥品種，以減小內外溫差，必要時可采用循環冷卻系統進行內部散熱，或采用薄層連續澆筑以加快散熱。

2)年溫差。四季溫度雖不斷變化，但是溫度變化相對緩慢，且對橋梁結構的影響主要是導致橋梁的縱向位移，又一般可通過橋面伸縮縫、支座位移或設置柔性墩等構造措施相協調。我國年溫差一般以一月和七月的月平均溫度作為變化幅度。大量研究表明，長期緩慢的年溫度荷載對橋梁的影響非常小。

3)日照溫度。在太陽輻射作用下，會使得橋梁局部溫度明顯高于其他部位，溫度梯度呈非線性分布。由于受到自身約束作用，導致局部正應力較大，出現裂縫。

4)驟然降溫。突降大雨、冷空氣侵襲、日落等可導致結構外表面溫度突然下降，但因內部溫度變化相對較慢而產生溫度梯度。日照和驟然降溫內力計算時可采用設計規范或參考實際資料進行，混凝土彈性模量不考慮折減。日照和驟然降溫是導致結構溫度裂縫的最常見原因，見表1。

表1 日照溫度、驟然降溫以及年溫度對結構溫度裂縫的影響

2 溫度應力分析

根據溫度應力的形成過程可分為以下三個階段:

1)早期階段:自澆筑混凝土開始至水泥放熱基本結束，一般為30 d左右。這個階段有兩個特征，一是水泥放出大量的水化熱，二是混凝土彈性模量的急劇變化。由于彈性模量的變化，這時期在混凝土內會形成殘余應力。

2)中期階段:自水泥放熱作用基本結束時起至混凝土冷卻到穩定溫度時止，這個時期中，溫度應力主要由混凝土的冷卻及外界氣溫變化所引起，這些應力與早期形成的殘余應力相疊加，而在此期間混凝土的彈性模量變化不大。

3)晚期階段:混凝土已完全冷卻以后的運轉時期。

溫度應力主要是外界氣溫變化所引起，這些應力與前兩種的殘余應力相迭加溫度應力根據引起的原因可分為兩類:

1)自身應力:邊界上沒有任何約束或完全靜止的結構，如果內部溫度是非線性分布的，由于結構本身互相約束而出現的溫度應力。例如，橋梁墩身，結構尺寸相對較大，混凝土冷卻時表面溫度低，內部溫度高，在表面出現拉應力，在中間出現壓應力。

2)約束應力:結構的全部或部分邊界受到外界的約束，不能自由變形而引起的應力。如箱梁頂板混凝土和護欄混凝土。這兩種溫度應力往往和混凝土的干縮所引起的應力共同作用。

3 溫度的控制和防止裂縫的措施

3.1 關于溫度控制

1)采用改善骨料級配，用干硬性混凝土摻混合料，加引氣劑或塑化劑措施以減少混凝土中的水泥用量。

2)拌和混凝土時加水(水采用冰塊冷卻)或用水(或用絕熱材料進行覆蓋)將粗骨料冷卻以降低混凝土的澆筑溫度。

3)熱天澆筑混凝土時減少澆筑厚度，采用分層或分段分層方式澆筑混凝土，利用澆筑層面散熱。

4)在混凝土中埋設水管，通入冷水降溫。

5)規定合理的拆模時間，氣溫驟降時進行表面保溫，以免混凝土表面發生急劇的溫度梯度。

6)施工中長期暴露的混凝土澆筑塊表面或薄壁結構，在寒冷季節采取保溫措施。

3.2 改善約束條件的幾點建議

1)合理地分縫分塊。

2)避免基礎過大起伏。

3)合理地安排施工工序，避免過大的高差和側面長期暴露。此外，改善混凝土的性能，提高抗裂能力，加強養護，防止表面干縮，特別是保證混凝土的質量對防止裂縫是十分重要的，應特別注意避免產生貫穿裂縫，出現后要恢復其結構的整體性是十分困難的，因此施工中要以預防貫穿裂縫的發生為主。而混凝土的早期養護，主要目的在于保持適宜的溫濕條件，以達到兩個方面的效果，一方面使混凝土免受不利溫、濕度變形的侵襲，防止有害的冷縮和干縮。一方面使水泥水化作用順利進行，以期達到設計的強度和抗裂能力。

4 結語

由上述分析可知，溫度變化引起混凝土內外溫差，產生溫度應力，當其大于混凝土的抗拉強度時，將產生溫度裂縫。通過本文的分析，希望引起工程技術人員對橋梁的設計與施工過程溫度作用產生裂縫的足夠重視，嚴格按照國家技術標準規范設計與施工，多總結，進一步加強質量管理，采取相應的裂縫預防控制措施，減少和避免溫度裂縫的產生，以延長公路與橋梁的使用壽命。

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