非對稱預應力混凝土箱梁水化熱溫度及應變監測與分析

王福興

中鐵十九局集團有限公司，遼寧遼陽111000

因具有抗扭剛度大、承載能力高等諸多優點，預應力混凝土連續箱梁近年來在公路和鐵路橋梁中得到廣泛應用［1-2］。連續現澆箱梁由于混凝土強度高、單方水泥用量大，特別是在模板約束作用下常因水化熱問題出現早期開裂現象，影響到連續箱梁的耐久性和受力性能［3-4］。

為解決連續現澆箱梁的早期開裂問題，學者們針對混凝土連續箱梁早期水化熱以及裂縫控制措施進行了相關研究［5-6］。目前連續現澆箱梁大多采用二次澆筑的施工工藝，但由于新舊混凝土之間的收縮差異以及二次澆筑頂板混凝土的水化熱溫度效應，頂腹板交界處仍然存在混凝土開裂問題。

本文對余姚—慈溪高速公路一聯四跨非對稱預應力混凝土連續箱梁水化熱溫度場和早期應變進行連續監測，分析二次澆筑過程中頂板和腹板溫度分布規律，探討預應力分階段張拉抑制連續箱梁早期裂縫的可行性，為類似工程提供參考。

1 預應力混凝土連續箱梁概況

在本次監測的試驗段預應力混凝土連續箱梁跨徑布置為4×27 m，橫截面為單箱五室非對稱結構，箱梁混凝土強度等級為C50。采用滿堂支架二次澆筑法施工。首次澆筑箱梁的底板和腹板，澆筑完成10 d后二次澆筑箱梁的頂板和翼緣板。由于該箱梁跨度較大，頂板寬度也較大，為防止頂板出現早期裂縫，對預應力鋼絞線分階段張拉。頂板和翼緣板澆筑3 d后對N3和N1預應力鋼束依次進行初張拉，張拉控制應力為700 MPa；頂板和翼緣板澆筑7 d后對N3、N2、N4和N1預應力鋼束依次進行終張拉，張拉控制應力為1 395 MPa。

2 試驗測點布置

根據余慈高速公路已澆筑完成的非對稱預應力混凝土連續現澆箱梁裂縫分布，在監測試驗段自小里程方向（余姚側）至大里程（慈溪側）方向布置了6個測試截面，如圖1所示，編號J1—J6。中跨選取L/4和3L/4（L為跨度）兩個測試截面，邊跨選取靠近中跨的L/4截面，監測混凝土水化熱溫度和早期應變的變化情況。

圖1 箱梁縱向測試截面

測試截面溫度和應變測點布置如圖2所示。每個截面設置12個測點。其中，測點1—測點4用于監測箱梁腹板頂部的溫度和應變，測點6、測點9、測點11用于監測頂板中心處的溫度和應變，其余測點監測頂腹板交界處的溫度和應變。自澆筑后每隔2 h測試1次溫度和應變，共監測13 d。

圖2 箱梁跨中橫截面及測點布置（單位：cm）

3 監測結果分析

3.1 混凝土水化熱溫度場

由于測點較多，為便于分析將非對稱預應力混凝土連續箱梁各測試截面中12個測點分成腹板頂部、頂腹板交界處、箱室頂板中心三個區域。將同一區域的溫度值取平均，作為測試截面該區域混凝土水化熱溫度代表值，并分別計算頂腹板交界處與腹板頂部、箱室頂板中心的溫差。混凝土終凝時間在8～10 h。箱梁各測試截面水化熱溫度隨齡期變化曲線見圖3。

圖3 箱梁各測試截面水化熱溫度隨齡期變化曲線

由圖3可以看出：①頂腹板交界處混凝土升溫較快，與同一截面其他位置相比，該處溫度峰值最高。主要是因為頂腹板交界處混凝土澆筑量較大，水化熱反應更顯著，四周散熱條件較差，混凝土降溫較慢。6個截面頂腹板交界溫度峰值均超過50℃。②腹板頂部的溫度變化主要由頂板混凝土的水化熱引起，且四周散熱條件較差，故其升溫和降溫均較慢。6個截面腹板頂部溫度峰值約40～42℃。③與頂腹板交界處相比，箱室頂板中心因混凝土澆筑量小，且表面散熱較快，故其呈現出快速升溫和降溫的變化規律。6個截面頂板中心處溫度峰值在40～45℃。④在頂腹板交界處水化熱溫度曲線上升階段（0～22 h），三個測試區域中頂腹板交界處升溫最快，腹板頂部升溫最慢。頂腹板交界處與腹板頂部最大溫差平均約16℃。⑤在頂腹板交界處水化熱溫度曲線下降階段（22～300 h），各截面頂腹板交界處與箱室頂板中心的溫差達到最大值。這是由于頂腹板交界處升溫快而降溫慢，箱室頂板中心升溫和降溫均較快。該最大溫差出現時二次澆筑混凝土已終凝約20 h。6個截面最大溫差平均約15℃。在首次澆筑的腹板混凝土和模板的約束下，由該溫差產生的溫度應力有可能造成二次澆筑混凝土早期開裂。

3.2 混凝土早期應變

將各截面三個測試區域監測結果分別取平均，作為該區域混凝土早期應變代表值。

箱梁各測試截面混凝土應變監測結果見圖4。齡期72 h時進行預應力鋼束初張拉。齡期168 h時進行終張拉。

圖4 箱梁各測試截面混凝土早期應變隨齡期變化曲線

由圖4可以看出：①預應力鋼束初張拉前，各截面腹板頂部基本處于受壓狀態，混凝土應變隨齡期增長先減小后增大。頂腹板交界處應變呈緩慢增長趨勢，箱室頂板中心應變變化不大。②自預應力鋼束開始初張拉至終張拉前，受預應力鋼束初張拉影響，各截面腹板頂部和頂腹板交界處混凝土應變隨齡期增長均呈現出先減小而后略微波動的變化規律。雖然頂腹板交界處仍基本處于受拉狀態，但初張拉使得早期應變值有所減小，降低了開裂風險。③預應力鋼束終張拉開始至完成后（168～300 h），各截面三個測試區域混凝土應變均先明顯減小而后趨于平穩。預應力鋼束終張拉對梁體混凝土應變的影響顯著。

4 結論

通過分析非對稱預應力混凝土連續箱梁在二次澆筑過程中混凝土水化熱溫度場和早期應變的監測結果，主要得出以下結論：

1）頂腹板交界處混凝土升溫較快，與同一截面其他位置相比，該處溫度峰值最高。頂腹板交界處與箱室頂板中心的最大溫差出現時間滯后于頂腹板交界處與腹板頂部。雖然兩者的最大溫差相差不大，但后者溫差達到峰值時，二次澆筑的混凝土已終凝約20 h。在首次澆筑的腹板混凝土和模板的約束下，由頂腹板交界處與箱室頂板中心溫差產生的溫度應力容易造成二次澆筑混凝土早期開裂。

2）連續現澆箱梁預應力鋼束分階段張拉可減小二次澆筑后頂腹板交界處混凝土早期拉應變，從而有效降低連續現澆箱梁頂板開裂風險。