砼箱梁內部溫度的監測與應力分析

火東存,薛琳婧 ,李文娟

(1.陜西鐵路工程職業技術學院，陜西 渭南 714000；2.甘肅自然能源研究院，甘肅 蘭州 730070)

砼價格低廉、抗壓強度較高，是橋梁施工的首選材料，但是水泥水化熱量大，而砼導熱性能差，對于局部尺寸較大的砼箱梁會形成內部聚集的熱量不易散失而外部散熱快的局勢，從而造成砼箱梁內高外低的溫度梯度，由此引發的不均勻變形在受到約束時就會形成溫度應力[1-2]。當溫度應力大于砼抗拉強度時就會致使砼開裂，由此引發的砼溫度裂縫嚴重危及橋梁結構的耐久性、困擾工程技術人員，因此開展對于砼箱梁水化熱分布規律的研究刻不容緩[3]。

本文依據背景橋梁的實測數據，分析了砼箱梁早期溫度場的分布規律，在此基礎上利用有限元軟件Midas fea模擬建立箱梁實體模型，研究溫度應力的分布規律，探討箱梁早期溫度裂縫的產生部位，以期為箱梁的設計、施工及檢測提供參考。

1 溫度試驗

本文的資料源于一多跨簡支轉連續箱梁橋—李家溝大橋的實測數據。該橋全橋共4聯4×40 m+4×40 m+4×40 m+4×40 m，上部結構采用預應力砼先簡支后連續箱梁，箱梁砼強度高、截面局部尺寸較大，極易發生內外溫差過大進而致使砼開裂的現象。

1.1 測點布置

選用李家溝大橋接近渭源側的一聯4跨，每跨分別選取一片邊梁和一片中梁取跨中截面設置監測點。每個測試截面布置6個溫度測點，具體如圖1、圖2所示。

圖1 邊梁溫度測點布置示意圖

圖2 中梁溫度測點布置示意圖

1.2 測試方法

溫度的檢測包括箱梁腹板處應力應變的檢測、箱梁砼溫度場和環境溫度的檢測兩方面[4-5]。綁扎箱梁鋼筋時在各測點處預先埋設JTM-V5000型振弦式應變計，并由四芯電纜接出，數據的采集應用測量精度為±0.5 ℃的JTM-V10A型頻率溫度測量儀[6]。

對箱梁內部溫度的監測從砼澆筑入模開始，每間隔2 h測試一次，在砼早期水化反應劇烈的時段可以適當增加測試的次數[7-8]。

1.3 測試結果

本次實驗共測取了8片梁(4片邊梁、4片中梁)在齡期內的溫度和頻率。測量得到的數據較多，選取其中較平穩的部分數據進行系統整理和分析，繪制成溫度時程曲線，如圖3、圖4所示；箱梁環境溫度情況匯總如表1所示。

表1 環境溫度表 ℃

圖3 中梁跨中截面測點溫度時程曲線

圖4 邊梁跨中截面測點溫度時程曲線

1.4 結果分析

綜合分析環境溫度表及中梁和邊梁跨中截面溫度時程曲線圖可知箱梁的溫度場分布有如下規律：

(1)箱梁各截面砼溫度隨時間變化的趨勢基本一致，即都經歷先升溫、隨即降溫、最后穩定3個階段。

(2)中梁、邊梁在最高溫度、最高溫度發生時間等方面存在細微的差距，說明箱梁截面形狀和尺寸對砼水化熱溫度的發展有一定的影響。

(3)箱梁砼入模近30～35 h達到最高溫度，隨后近5 h內各點溫度保持基本穩定，隨后溫度緩緩下降，各典型測試點溫度匯總如表2所示。由表2可以看出，各截面頂腹板交界處測點的最高溫度較腹板、底腹板交界處測點稍大，這是因為腹板、底板厚度相對較小，水化熱釋放的熱量易散失、積存的熱量小，這再次說明箱梁局部尺寸變化對于水化熱分布有一定影響，對于頂腹板交界處應作為重點監控對象。

表2 典型測點溫度匯總表

(4)整個測試期內，箱梁內環境溫度基本大于箱梁外大氣溫度，中梁、邊梁內外最大溫度差分別為8.7、9.8 ℃。

2 有限元分析

2.1 模型建立

基于有限元軟件Midas Fea建立上述梁段的有限元模型來研究砼箱梁水化熱溫度應力的分布規律。模型實體單元網格劃分以六面體為主，共建立27 058個單元，40 046個節點，箱梁有限元模型如圖5所示。鑒于梁段的對稱性及篇幅限制，本文只選取中梁梁段模型的相關數據進行箱梁溫度應力的分析。

圖5 箱梁有限元模型

2.1.1 參數設置

1)彈性模量

由溫度試驗知箱梁砼澆筑后前32 h溫度快速上升，而后下降，選取溫度下降時相應時間的彈性模量，以回歸方程求出相應彈性模量。

2)密度

箱梁砼標號為C50，密度值為2.4 t/m3。

3)泊松比

砼和鋼筋的泊松比均為0.2。

4)熱膨脹系數

砼和鋼筋的線膨脹系數分別為0.000 010、0.000 012/℃。

2.1.2 初始條件

砼箱梁內部高溫源于水泥水化熱。此次簡化模型，按照給砼箱梁模型施加溫度荷載的形式實現溫度應力的分析。

2.1.3 邊界條件

預制階段砼箱梁底部相接于臺座，假設其為絕熱邊界；應用廣泛的鋼模在砼散熱過程中未起到隔熱保溫的作用，將砼近似地按在空氣中來考慮其表面溫度。

2.1.4 荷載施加

砼箱梁溫升階段的溫度應力基本可以忽略不計，著重分析降溫階段的溫度應力。本文按照給箱梁模型施加10、20、30 ℃的溫度荷載的形式實現溫度應力的分析，具體參數如表3所示。

表3 模型相關參數匯總

2.2 結果分析

選取中梁典型節點在不同溫差作用下的單元應力，繪制出沿梁長的應力曲線，如圖6～圖9所示。

分析圖6～圖9箱梁應力分布曲線可得如下規律：

圖6 中梁底板中部應力曲線

圖7 中梁頂腹板交界處應力曲線

圖8 中梁底腹板交界處應力曲線

圖9 中梁翼緣板邊緣應力曲線

溫差作用下，中箱梁內的應力主要表現為拉應力；當內外溫差為10 ℃時，應力最大值主要集中在跨中底板處、1/4跨的腹板與頂板交界處、1/4跨的腹板與底板交界處以及1/4跨的翼緣板邊緣處，當中腹板與底板交界處在1/4跨處的應力最大。翼緣板兩端及跨中局部呈現為壓應力，其余均為拉應力；當內外溫差為20、30 ℃時，應力分布規律同10 ℃相似，全構件主要為拉應力；應力隨溫差的增大而逐漸增大，分布范圍也逐漸從構件的端部向跨中延伸，局部產生的較大拉應力會導致裂縫的產生，主要為腹板下部、底板跨中、翼緣板邊緣等區域。

3 結論及建議

(1)砼箱梁溫度場分布規律清晰明了：經歷升溫、降溫、穩定3個階段；箱梁頂腹交界處局部尺寸較大，積聚的水化熱最大。

(2)箱梁早期應力主要為拉應力，并隨溫差的增大而增大。因此，箱梁砼澆筑完成后，應采取覆蓋保溫措施，避免箱梁內外溫差過大而引起較大拉應力。

(3)適宜的溫度控制系統與養護措施對于砼箱梁水化熱階段溫度變化的控制卓有成效，可以有效控制箱梁早期溫度裂縫的產生。此外，應根據箱梁實際情況確定合理拆模時間，以防箱梁出現干縮裂縫。