預應力混凝土T型梁水化熱溫度測試與分析

馬云龍，賈艷敏，嚴古龍

(東北林業大學 土木工程學院，哈爾濱 150040)

溫度應力是一項重要的結構荷載，有時甚至成為導致結構物開裂破壞的關鍵因素。絕大多數混凝土建筑物都處在溫度交替變化的自然環境中，溫度應力的影響是無法避免的?；炷翍冇嬍且环N用來監測結構的應力狀態的常規觀測儀器，在結構、水電和橋梁等重要工程中得到普遍應用。觀測數據的合理分析不僅是研究復雜結構工作性態和檢驗計算結果正確性的重要手段，而且通過監測結構物在施工和運行過程中的應力狀態變化，還可使之成為安全預警的重要依據[1]。

國內外工程實踐表明，防止溫度裂縫的關鍵在于混凝土溫度控制和溫度應力控制。混凝土結構澆筑完成后，在其硬化過程中會產生大量的熱量，熱量在混凝土中不斷積累，導致溫度升高。由于混凝土導熱性比較差，且外界環境溫度較低，混凝土外層表面通過對流和其他方式與周圍環境進行熱量交換。因此混凝土形成隨時間變化的內部溫度高、外部表層溫度低的狀態。由此產生的溫度梯度可導致硬化過程中混凝土產生溫度應力，其大小若超過混凝土抗拉強度，會導致混凝土開裂[2]。T型梁混凝土硬化期間的溫度發展具有混凝土水化熱溫度的一般特點，但由于T梁的水泥標號更高，單方水泥用量更大及摻合料、外加劑等因素的影響，水化熱溫度分布更加復雜。資料表明[3]，水化熱引起的混凝土溫度梯度產生的應力足以使T型梁表面產生裂縫，所以有必要深入研究T型梁水化熱溫度的發展規律。本文結合寶貝河大橋T型梁的水化熱試驗情況，分析研究混凝土水化熱溫度發展的一般規律，以期為T梁設計與施工提供有益的參考。

1 工程概述

1.1 工程背景

寶貝河大橋位于呼和浩特市呼殺高速和托連接線上，該橋上部結構共有后張法預應力混凝土T型梁50片，結構體系為先簡支后連續。跨徑組合為三聯3×40 m至4×40 m、3×40 m。橋面總寬度：12.25 m?？鐝?0 m。斜度為0°。T梁片數為5片。梁間距為2.47 m。預制梁高2.5 m。水泥：采用高品質的強度等級為62.5、52.5、42.5，同一結構采用同一品種的水泥。年平均相對濕度55%。梁體的混凝土設計標號是C50，水泥普遍采用強度等級為52.5的硅酸鹽水泥。T梁橋的混凝土配合比為，水泥∶砂∶石子∶水∶外加劑∶粉煤灰為1∶1.58∶2.19∶0.13∶0.01。水泥用量484 kg/m3，外加劑為減水劑。坍落度為140～180 mm。T型梁澆筑時間為4～5 h，視現場環境而定。

1.2 測點布置

在呼殺高速和托連接線2標段梁場建立了試驗場，選擇該橋第8孔、第9孔、第10孔的3號、4號、5號梁作為三跨連續的試驗梁。每片梁選取兩個測試截面，一個在距離梁端三米處，另一個在跨中截面，如圖1和圖2所示。各測點均為埋入式振弦式混凝土應變計，其中第9-4號梁(第9孔4號梁)為AT型(能監測應力和溫度)其余為A型(只能監測應力)，部分測點埋置了溫度傳感器，在梁體混凝土灌注前，綁扎在鋼筋籠上，并測試出綁扎的準確位置。在圖1、圖2中，①、②、③、④為混凝土應變計，(1)、(2)為溫度傳感器。

圖1 縱橋向應變器布置位置

圖2 橫截面應變計布置位置

2 試驗結果與分析

首先在混凝土入模前，測試綁扎到鋼筋籠上的應變計讀數，并記錄初讀數。從混凝土入模開始，按一定的時間間隔讀取梁體內各個測點的的應變計讀數與溫度傳感器讀數，同時用電子溫度計測量大氣溫度。實測數據量很大，本文僅需用到從混凝土入模到水化熱結束時的數據[4]。

2.1 實測水化熱時程曲線的形式

根據溫度傳感器的測試結果，可以得到混凝土水化熱溫度隨觀測時間變化溫度曲線，如圖3、圖4和圖5所示。由圖可見T型梁混凝土水化熱溫度隨混凝土齡期發展經歷了溫度上升階段和溫度下降階段，上升段曲率明顯大于下降段。上升段與下降段分界點為相應測點的溫度峰值，各個T型梁的溫度峰值隨著大氣溫度和混凝土入模溫度不同有所不同，同一截面的不同測點的峰值溫度也不相同。

圖3 8-4梁水化熱時程曲線

圖4 9-4梁水化熱時程曲線

圖5 10-4梁水化熱時程曲線

總之，盡管由于施工條件不同而導致不同梁體、不同測點之間的峰值溫度不同，但其水化熱溫度時程曲線的變化規律總體上是一致的，均呈偏正態分布。即混凝土入模后，水化熱溫度發展經歷了較快的溫升階段，達到溫度峰值后，進入相對緩慢的溫降階段，最后達到穩定溫度場(即結構內部溫度與外界溫度相平衡)。這些典型特征與一般大體積混凝土水化熱溫度曲線相類似[5-8]。

2.2 試驗梁溫升與溫降一般形式

水化熱溫升與水泥用量、入模溫度、散熱條件、養護條件等因素有關[9-10]。從水化熱溫度時程曲線看出，同一梁體不同位置水化熱溫度并非同時到達峰值。變截面T型梁由于端部尺寸較大所以水化熱反應時間較長，在混凝土入模后20～30 h到達峰值?？缰薪孛嫠岱磻容^劇烈，在砼入模后約10～20 h到達峰值。

由表1可以看出，入模溫度越高，溫度峰值出現的時間越短，即混凝土放熱速率越大，這說明入模溫度升高會加速水化熱釋放速度。梁體不同部位的水化熱溫升是不同的。環境溫度對溫度峰值有一定的影響，試驗梁施工時間為秋季，環境溫度較低，在一定程度上降低了溫度峰值。

表1 水化熱基本參數

梁體溫度達到峰值以后，開始進入溫降階段。從水化熱溫度時程曲線看出，降溫曲線經歷了緩慢降溫、快速降溫和相對穩定3個階段。由表1可看出各點降溫速率梁端截面約為0.31～0.44，跨中截面約為0.22～0.34。梁端截面降溫速率大，因為該處混凝土表面積相對較大，散熱面積大。在混凝土入模后110～130 h，梁體溫度降至環境溫度，隨后與環境溫度共同變化，水化熱階段結束。

2.3 水化熱階段溫度應力

施工期的混凝土溫度應力是早期拉應力，產生早期拉應力時間一般是自澆筑混凝土開始至水化熱放熱即將結束，這個階段有兩個特點：一是因水泥水化作用而放出大量水化熱，引起溫度場的急劇變化；二是混凝土彈性模量隨著時間而急劇變化。選取混凝土的彈性模量如公式：E(τ)=E0[1-exp(-0.4τ0.34)](式中：τ為齡期；E0為最終彈模)。埋入式振弦式混凝土應變計測量的是結構的應變值，我們把應變計剛埋入混凝土時的應變值作為初始值，通過后續的測試值與初值的比較，得出應變的變化情況。再根據彈性模量計算公式與胡克定律，把應變值轉化為應力值，使結果更加直觀。試驗梁水化熱階段實測應力如圖6、圖7和圖8所示。

圖6 8-4梁水化熱階段溫度應力

圖7 9-4梁水化熱階段溫度應力

圖8 10-4梁水化熱階段溫度應力

由圖可以看出隨著水化熱溫度的升高，混凝土T型梁的應變為壓應變，溫度升高越多，壓應變越大；溫度降低，相當于產生拉應變，溫度降低越多，拉應變越大。在水化熱階段梁體不受外荷載作用，應變的變化只和溫度有關，所以在測量應變時需要一個溫度的初值，由水化熱時程曲線可知，混凝土初凝時水化熱還未引起溫度升高，混凝土內部溫度變化不大。由此可知混凝土溫度變化初值與水化熱無關，主要由澆筑混凝土時的入模溫度決定。因此，可以用混凝土的入模溫度近似地作為溫度變化的初值。所以入模溫度越高，水化熱反應越劇烈，溫度應力的變化越大，見表2。

表2 溫度應力變化程度與入模溫度

3 結 論

(1)在自然養護條件下，T型梁混凝土在入模后10～25 h內到達溫度峰值，最大溫升約為31℃，水化熱溫度較高，部分截面可達60℃左右。水化熱溫降階段的降溫速率約為0.25～0.45℃/h之間，大約在入模后110～130 h梁體溫度降至環境溫度。

(2)40 m混凝土T型梁由于不用位置的尺寸差異較大，所以不同位置的水化熱反應并不同步，跨中處較劇烈，到達水化熱溫度峰值的時間較短，梁端截面截面尺寸大，到達溫度峰值的時間長。但總體的趨勢是一致的，呈正態分布。同時T型梁腹板與翼緣連接處水化熱溫度最高。容易產生裂縫，在設計時應加強構造配筋。

(3)入模溫度越高，水化熱溫度越高。為了防止溫度裂縫出現，應盡可能地降低混凝土入模溫度，可通過控制澆筑時間(晚上10：00到凌晨5：00之間澆筑)、冷卻拌合水、加冰攪拌等方法，建議入模溫度不要大于30℃。

【參 考 文 獻】

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