混凝土箱梁早期溫度場(chǎng)研究與控制

張康康

摘 要：混凝土水化熱產(chǎn)生的溫度效應(yīng)是引起早期混凝土箱梁結(jié)構(gòu)開裂的主要原因之一，嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)施工質(zhì)量造成極大影響。為預(yù)防混凝土箱梁澆筑后出現(xiàn)表面裂縫，提高結(jié)構(gòu)的耐久性，需要對(duì)混凝土箱梁早期溫度場(chǎng)進(jìn)行研究。本文敘述了混凝土箱梁早期溫度裂縫產(chǎn)生的主要原因，對(duì)近年來混凝土箱梁早期溫度場(chǎng)的相關(guān)研究進(jìn)行了綜述，并介紹了混凝土箱梁早期溫度裂縫的防控措施，以期為類似工程施工提供參考。

關(guān)鍵詞：混凝土;箱梁;早期溫度場(chǎng);裂縫

中圖分類號(hào)：U441.5;U448.213 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）32-0116-03

Research and Control of Early Temperature Field of Concrete Box Girder

ZHANG Kangkang

（North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou Henan 450045）

Abstract： The temperature effect caused by the heat of hydration of concrete is one of the main reasons for the cracking of the early concrete box girder structure， which will greatly affect the construction quality in severe cases. In order to prevent the surface cracks of the concrete box girder after pouring and improve the durability of the structure， it is necessary to study the early temperature field of the concrete box girder. This article describes the main causes of early temperature cracks in concrete box girder， summarizes the relevant research on the early temperature field of concrete box girder in recent years， and introduces the prevention and control measures of early temperature cracks in concrete box girder， in order to provide reference and reference for similar engineering construction.

Keywords： concrete;box girder;early temperature field;crack

隨著交通行業(yè)的快速發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)在交通樞紐中的作用越來越重要。混凝土箱梁結(jié)構(gòu)在澆筑初期，當(dāng)溫度應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫，最終會(huì)影響箱梁結(jié)構(gòu)的耐久性和整體性，使其難以滿足長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的相關(guān)指標(biāo)[1-4]。本文主要分析早期裂縫產(chǎn)生的原因，對(duì)近年來關(guān)于混凝土箱梁早期溫度場(chǎng)的研究進(jìn)行綜述，并提出早期溫度場(chǎng)控制措施。

1 裂縫產(chǎn)生原理

溫度裂縫易產(chǎn)生于溫差環(huán)境較大的混凝土結(jié)構(gòu)中，其中水泥的水化熱是影響結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場(chǎng)的主要因素?；炷恋乃療岱磻?yīng)在澆筑開始時(shí)已產(chǎn)生，在澆筑完成后，混凝土終凝結(jié)束時(shí)內(nèi)部仍在不斷進(jìn)行水化熱反應(yīng)，持續(xù)由內(nèi)向外放出熱量，此時(shí)如果外界溫度突然下降或者養(yǎng)護(hù)用水溫度較低，混凝土表面由于熱脹冷縮便會(huì)引起急劇收縮的現(xiàn)象，進(jìn)而使混凝土表面產(chǎn)生裂縫。在混凝土完成終凝后，這種裂縫一旦產(chǎn)生就不可逆轉(zhuǎn)，甚至?xí)沽芽p由表面輻射進(jìn)入內(nèi)部，最終形成溫度裂縫。嚴(yán)格控制混凝土澆筑時(shí)的溫度，做好混凝土養(yǎng)護(hù)與表面保溫措施，降低混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差，能有效降低混凝土早期裂縫產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)[5-7]。

2 箱梁混凝土早期溫度場(chǎng)研究現(xiàn)狀

2009年，張君等采用有限差分法建立了基于混凝土絕熱升溫試驗(yàn)的早期混凝土溫度場(chǎng)計(jì)算模型，并通過等效齡期法修正了溫度對(duì)水泥水化熱及其放熱量的影響。結(jié)果表明，不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土板內(nèi)溫度均在12～24 h達(dá)到峰值，其仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為吻合，能準(zhǔn)確地對(duì)早期混凝土溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析[8]。

2011年，陳志堅(jiān)等針對(duì)大跨徑混凝土箱梁橋0號(hào)箱梁的特點(diǎn)，詳細(xì)分析了水化熱溫度場(chǎng)數(shù)值模擬過程中混凝土參數(shù)的取值及邊界條件的確定方法。結(jié)果表明：混凝土硬化早期，溫度隨水泥水化的發(fā)展，經(jīng)歷了較快的溫升階段，到達(dá)最值后，進(jìn)入緩慢的溫降階段，最值出現(xiàn)時(shí)間越早，溫降速率越大;混凝土澆筑后的最大內(nèi)外溫差與構(gòu)件厚度和表面邊界情況有關(guān)，構(gòu)件厚度越大，表面散熱條件越好，可達(dá)到的最大內(nèi)外溫差也就越大;新舊混凝土結(jié)合面處存在溫度倒灌現(xiàn)象?；炷琉B(yǎng)護(hù)期間，應(yīng)根據(jù)箱梁混凝土水化熱溫度場(chǎng)的特點(diǎn)，對(duì)重要部位進(jìn)行有針對(duì)性的養(yǎng)護(hù)[9]。

2013年，唐國(guó)敏等研究了大體積箱梁0、1號(hào)塊混凝土早期溫度場(chǎng)。結(jié)果表明：箱梁0、1號(hào)塊的橫隔板內(nèi)溫度最高且最晚達(dá)到峰值;通過分層澆筑、埋設(shè)冷卻水管等措施可以有效降低部件內(nèi)外溫差[10]。

2017年，楊文等對(duì)單箱多室混凝土箱梁水化熱溫度場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明：?jiǎn)蜗涠嗍一炷料淞涸诨炷翝仓缙跍囟葓?chǎng)作用下，外腹板應(yīng)力最大[11]。

2018年，陳黎陽(yáng)基于混凝土熱傳導(dǎo)理論，采用有限元軟件ANSYS對(duì)混凝土箱梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行水化熱溫度場(chǎng)仿真分析，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，研究了混凝土箱梁結(jié)構(gòu)水化熱溫度場(chǎng)分布和變化規(guī)律。結(jié)果表明：有限元仿真能準(zhǔn)確模擬混凝土箱梁結(jié)構(gòu)水化熱溫度場(chǎng)和變化規(guī)律，降低混凝土箱梁結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差是預(yù)防早期裂縫產(chǎn)生的關(guān)鍵。研究結(jié)果可為類似結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)分析提供理論依據(jù)，為施工過程中溫度控制提供參考和借鑒[12]。

2019年，賀國(guó)峰等對(duì)混凝土箱梁結(jié)構(gòu)澆筑的早期溫度分布進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，研究了混凝土箱梁早期溫度場(chǎng)的變化規(guī)律和溫度梯度的分布情況。結(jié)果表明：混凝土箱梁水化熱反應(yīng)主要發(fā)生在澆筑后72 h內(nèi)，峰值出現(xiàn)在14 h左右，處于腹板上梗腋處，腹板處會(huì)產(chǎn)生較大的水化熱溫升，頂板和底板較小;頂板和底板處溫度變化呈指數(shù)增長(zhǎng)，腹板區(qū)域呈線性增長(zhǎng)，并擬合了混凝土箱梁豎向截面水化熱溫度梯度分段函數(shù)。研究結(jié)果可為類似結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)分析提供理論依據(jù)，為施工過程中溫度控制提供參考[13]。

2020年，李福友研究了寬幅PK混凝土箱梁早期溫度場(chǎng)，通過優(yōu)化高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)、抗裂性、收縮徐變和耐久性試驗(yàn)，得出通過摻加粉煤灰與礦粉復(fù)合摻合料，可有效降低箱梁混凝土的水化熱溫升;根據(jù)溫度與溫度應(yīng)力有限元計(jì)算結(jié)果制定了合理的溫控標(biāo)準(zhǔn)，提出各種溫控防裂措施，并對(duì)其防控效果進(jìn)行評(píng)價(jià);同時(shí)分析了箱梁空腔薄壁結(jié)構(gòu)在變截面處易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象而導(dǎo)致開裂的問題。通過工程實(shí)踐可知，澆筑初期所采取的優(yōu)化配合比、溫控措施能有效降低有害裂縫產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)[14]。

2021年，江東等采用Midas/FEA軟件研究了養(yǎng)護(hù)工藝參數(shù)對(duì)連續(xù)梁橋0號(hào)塊早期溫度場(chǎng)的影響，并通過與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明：鋼模板保溫性較差;混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)環(huán)境溫度不宜低于10 ℃;拆模過早會(huì)導(dǎo)致內(nèi)外溫差增大，增大裂縫產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn);不宜在風(fēng)速較大的環(huán)境下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)[15]。

以上關(guān)于混凝土箱梁早期溫度場(chǎng)的研究，主要是利用有限元仿真分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合相互驗(yàn)證的方法，通過對(duì)每個(gè)階段混凝土早期溫度場(chǎng)的仿真分析，制定了合理有效的溫控措施。

3 混凝土箱梁溫度場(chǎng)控制

3.1 分層澆筑

對(duì)箱梁混凝土進(jìn)行分層澆筑，可以降低混凝土早期溫度場(chǎng)的溫度，并且能通過控制混凝土溫度來降低混凝土水化熱溫度的增加速度。在澆筑混凝土箱梁時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照先底板后腹板再頂板的順序，并控制布料速度。同時(shí)，在澆筑過程中，嚴(yán)禁振搗棒直接觸碰波紋管、預(yù)埋管、預(yù)埋件等，防止預(yù)留預(yù)埋管件破壞或發(fā)生變位。

3.2 科學(xué)養(yǎng)護(hù)

在對(duì)混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)時(shí)，通?？衫酶采w草柵、草簾、遮光布、土工布等進(jìn)行遮光保濕，提升散水養(yǎng)護(hù)的效果，同時(shí)也可采用直接灑水的養(yǎng)護(hù)方式（見圖1），嚴(yán)禁采用圍水養(yǎng)護(hù)的方式，避免影響箱梁結(jié)構(gòu)最終的整體性能。此外，要注意做好特殊季節(jié)或氣候條件下的養(yǎng)護(hù)工作。例如，在夏季高溫天氣對(duì)混凝土進(jìn)行施工時(shí)，混凝土澆筑成型后，利用高壓水槍灑水配合自動(dòng)噴淋系統(tǒng)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，保證混凝土養(yǎng)護(hù)條件，防止出現(xiàn)溫度裂縫;冬季施工時(shí)，外界氣溫較低，澆筑完成后需要對(duì)混凝土易凍部位加強(qiáng)保溫，避免混凝土發(fā)生凍害。

3.3 控制水化熱

通過摻加外加劑，合理減少水和水泥用量，控制放熱高峰。夏天施工時(shí)，應(yīng)對(duì)混凝土管道全程灑冷水，對(duì)礦砂場(chǎng)進(jìn)行遮陽(yáng)處理，摻加冰水對(duì)混凝土進(jìn)行攪拌，合理控制混凝土出機(jī)和入模溫度;冬季施工時(shí)，應(yīng)采用蒸汽養(yǎng)護(hù)，在澆筑初期采用蒸汽加熱，防止混凝土表面與外界低溫環(huán)境直接接觸，使水化熱快速散失，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差急劇增大，確保箱梁混凝土在早期溫度場(chǎng)作用下產(chǎn)生的溫度應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

3.4 混凝土入模溫度控制

在混凝土骨料進(jìn)場(chǎng)儲(chǔ)存前，應(yīng)先行搭建好空調(diào)房，控制儲(chǔ)存環(huán)境的溫度，降低骨料的溫度;通過延長(zhǎng)儲(chǔ)存膠材的時(shí)間，并對(duì)罐體采用遮陽(yáng)、噴水等措施，降低混凝土攪拌后的溫度，控制水泥、礦粉的溫度低于60 ℃，粉煤灰溫度低于40 ℃。

3.5 拆模時(shí)間控制

對(duì)混凝土進(jìn)行拆模時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土結(jié)構(gòu)的齡期、強(qiáng)度和溫度等。拆模時(shí)應(yīng)挑選一天中溫度最高的時(shí)間段，拆模后應(yīng)該立即進(jìn)行保溫、保濕和防風(fēng)等養(yǎng)護(hù)，以免導(dǎo)致拆模后混凝土表面迅速降溫形成較大溫差，進(jìn)而產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力。

4 結(jié)論

本文論述了混凝土箱梁早期溫度裂縫產(chǎn)生的主要原因，對(duì)近年來混凝土箱梁早期溫度場(chǎng)的相關(guān)研究進(jìn)行了綜述，并介紹了混凝土箱梁早期溫度裂縫的防控措施，得到了以下結(jié)論。

①箱梁混凝土水化熱、內(nèi)外溫差、結(jié)構(gòu)尺寸等使箱梁各個(gè)部位產(chǎn)生非均勻溫度場(chǎng)，非均勻溫度場(chǎng)產(chǎn)生引起的變形遇到結(jié)構(gòu)內(nèi)部纖維和外部約束時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力。

②為控制混凝土箱梁早期溫度場(chǎng)，可采取分層澆筑、科學(xué)養(yǎng)護(hù)、控制水化熱、控制混凝土入模溫度和控制拆模時(shí)間等措施。

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