各國規范下混凝土箱梁水化熱溫度作用研究

摘 要：水化熱引起的溫度變化往往會導致混凝土梁橋早齡期混凝土橋面開裂，甚至在通車前就出現裂縫。為了確保結構的耐久性，對王家河大橋進行了大規模溫度測量，并在3種常用水化熱模型的基礎上進行精細有限元模型分析，兩者結合以確立適用于高寒大溫差地區的水化熱模型，獲得空間連續的橋梁溫度場，并為相似地區橋梁建設提供參考。結果表明：（1）通過水泥水化熱模型計算的王家河大橋測點最大溫升為37.2℃，最大里表溫差約45℃，最大降溫速率約5℃/d，最大溫升值在規范限值內（50℃），里表溫差（25℃）及降溫速率（2℃/d）均超出規范限值，存在開裂風險；（2）本橋計算中指數式最大溫升、里表溫差、降溫速率均比其余兩式計算結果更不利，且三者溫度演變規律基本一致，而指數式計算參數更為容易，故建議使用指數式進行混凝土箱梁設計；（3）大體積混凝土冬季施工建議使用低熱或中熱型水泥，并嚴格控制入模溫度、拆模時間以預防溫度裂縫的產生。

關鍵詞：連續-剛構拱橋，水化熱，有限元仿真，溫度分布

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.24.036

0 引 言

混凝土水化作用是一種放熱反應，在養護過程中可以產生大量的熱量，特別是在混凝土澆筑后的頭幾天。水化熱引起的溫度變化不僅會引起大體積混凝土結構的熱裂縫[1]，也會引起橋梁中較薄混凝土板的熱裂縫[2]。一般來說，這些裂縫發生在橋面混凝土澆筑后不久，甚至在通車之前。

為了避免混凝土板的早期開裂，應在澆筑混凝土之前預估水化作用的影響。因此，應優先考慮組合梁水化過程中的溫度分布。應對大段或實際橋梁進行現場測量，盡量反映實際橋梁水化熱溫度的實際分布情況。然而，溫度測量往往受到測點數量的限制，難以獲得空間連續的橋梁溫度場，無法直接計算熱效應。最常用的精細計算方法是單向熱-力耦合分析，該方法首先計算溫度分布，然后進行力學分析。Faria[3]、Huang等[4]分別用該方法成功地計算了混凝土水化過程中約束混凝土板和大體積混凝土墩的熱效應。除此之外，Lee等[5]采用水化熱的微觀平面模型，模擬了混凝土結構早期齡期的溫度場和開裂模式。張寧等[6]將該方法應用于太陽輻射作用下混凝土塔的溫度場和應力場的計算。單向熱-力耦合分析方法繁瑣，技術難度大，費時費力，不便于直接應用于工程中。

在美國國家公路和運輸官員協會AASHTO LRFD橋梁設計規范[7]、歐洲標準化委員會Eurocode 1結構的作用，第1-5部分：一般作用-熱作用[8]和我國GB50496-2018《大體積混凝土施工標準》[9]等現行規范體系中，明確規定了橋梁服役階段空氣溫度變化引起的均勻溫度和太陽輻射引起的溫度梯度。受水泥水化熱的影響，水化階段與使用階段的熱效應計算存在顯著差異[10]。首先，內部水化熱的來源位置和形式與太陽熱源完全不同，導致溫度分布格局差異較大。此外，在水化過程的熱效應計算中還需要考慮齡期特征，因為混凝土的力學性能及水化溫度在早期齡期[11]發展較快。因此，水化熱致熱效應的計算是一個時空問題，而太陽引起的溫度作用和熱效應的相關結論并不完全適合于此。

本文依托高速鐵路高墩大跨連續剛構-拱橋預應力混凝土箱梁零號塊實際工程，密集布置溫度傳感器以更好地反映實際橋梁水化熱溫度的實際分布情況，再應用ABAQUS及子程序模擬混凝土箱梁水化溫度場，分析3種常用水化熱模型下計算所得獲得空間連續的橋梁溫度場，全面分析水化熱對大體積混凝土箱梁造成的影響，確立適用于我國高寒大溫差地區的水化熱模型，為后續施工開裂控制，優化方案提供參考。

1 工程概況

項目位于西安境內，為新建鐵路西安至延安線王家河大橋主橋工程，采用預應力混凝土連續剛構-拱組合結構，梁高從主墩中支點處15.5 m到主跨跨中及邊跨直線段處5.8 m間按1.8次拋物線變化，跨度及橋型如圖1所示。

0#塊箱梁橫截面為單箱雙室變截面直腹板，主橋橋面寬14.0 m，中支點處局部橋面寬15.6 m，底寬10.6 m，中支點處局部加寬至13.4 m，0#塊內設兩道2.0 m的橫隔板，橫隔板中設置1.6 m×2.0m的過人洞。橋梁設計荷載為ZK活載、設計速度目標為350km/ h、軌道結構形式為CRTS Ⅰ型雙塊式無砟軌道，正常使用條件下梁體結構設計使用壽命為100年、地震動峰值加速度為0.10 g、地震基本烈度七度、特征周期為0.45 s。主梁均采用C60混凝土，其水泥采用P·O52.5級水泥，混凝土配合比如表1所示。

王家河特大橋主梁梁段主要采用一次懸臂澆筑成形，部分區域采用托架現澆施工，考慮0號塊高15.5 m，整體一次性澆筑高度大，因此采取高度分兩次澆筑的施工步驟。主梁多數梁段采用一次澆筑成形，故在計算時以1#塊水化熱計算為例，其中1#塊澆筑時間從2022年10月4日起，懸臂段澆筑標準施工10天每段，冬季施工13天每段，1#塊澆筑時入模溫度為15℃，入模溫度滿足不低于5℃，不高于28℃要求[12]。主梁混凝土澆筑時除頂面外均采用鋼模，頂面采用土工布覆蓋+澆水養護，3天后拆除土工布繼續澆水養護至第14天結束，由于鋼筋布置較密，未采用水管冷卻。

2 有限元分析

2.1 傳熱理論

2.1.1 水泥水化熱

水化反應作用下的混凝土可以看作是具有內熱源和瞬態溫度場的連續均勻介質，可以用有限元法對其進行模擬。導熱的一般偏微分方程可以表示為式（1）[13]：

研究早齡期混凝土水化作用時，受水化熱溫度場不均勻分布的影響，混凝土箱梁中各部位的水化反應速率及水化反應程度不同，進而導致同一澆筑齡期的混凝土箱梁在是否考慮溫度對混凝土水化反應速率對有限元模擬所得橋梁溫度場影響顯著。因此需要采用等效齡期計算方法進一步綜合考慮水化熱溫度分布對橋梁溫度場分布的影響。在有限元計算的過程中，采用時間步累計疊加的形式計算相應的等效齡期，即把齡期等分為ｎ段，并假設每段時間間隔內的溫度為常數，則等效齡期的計算簡化為式（6）：

2.2 有限元模型建立

采用有限元程序ABAQUS對混凝土箱梁水化過程進行三維傳熱模擬。圖2為有限元模型，所有構件采用ABAQUS中提供的熱傳遞單元進行網格劃分，1#梁段及墩頂1 m部分采用八結點線性傳熱六面體單元DC3D8進行模擬，0#梁段采用四結點線性傳熱四面體單元DC3D4進行模擬。將主梁各節段之間的界面關系近似建模為“綁定約束”，使界面[13]處的溫度和熱流是連續的。混凝土的熱性能列于表2。

在有限元計算中，每1小時計算一次水化溫度場，模擬結果更加精確和詳細，初始澆筑溫度取15℃。據調研統計王家河大橋地區100 m高處年平均風速為3.1 m/s，王家河大橋主梁梁體施工時鋼模板導熱系數為28 W/m℃，土工布的導熱系數為0.05W/m℃，計算所得采用除頂面外其余采用鋼模板的外表面等效對流系數為65.50 kJ/m2 h℃，土工布覆蓋的外表面等效對流系數為29.98 kJ/m2 h℃。

3 溫度結果分析

混凝土箱梁測點平面布置圖見圖1，因王家河大橋沿橋梁順向為左右對稱結構，故在有限元模擬中取半邊結構分析，測點溫度取1～6號測點數據。

圖3為有限元法和實測溫度的演變過程。水泥水化是一個放熱反應，而且早期放熱較快，后期較慢，與大氣環境存在熱交換，因此，隨著大體積混凝土齡期的增長，其內部的溫度是不斷變化的。從圖3可得雙曲線式水泥水化熱模型及雙指數式水泥水化熱模型的有限元分析結果與實驗結果吻合較好。指數式水泥水化熱模型有限元分析結果較實測結果偏大，在使用指數式水泥水化熱模型計算混凝土箱梁水化熱溫度場時在設計中結果較為保守，且在實際工程中，由于指數式計算參數更為容易，所以在實際工程中應用更為廣泛。

圖4為3種水化熱模型有限元法計算下典型時刻的實驗溫度場云圖對比。從這些溫度云圖也可以看出，混凝土橋面縱向上的溫度分布較為均勻，而橫向腹板與頂、底板交界處溫度聚集與橋面間存在較大的溫差。

由圖3可知，由指數式水泥水化熱模型計算所得混凝土溫度場，頂板及底板測點溫升峰值出現在60 h左右，腹板測點溫升峰值出現在4 0 h左右指數式計算的測點最高溫出現在3號測點溫度為：52.2℃，測點最大溫升約37.2℃，滿足規范[9]要求。混凝土最大溫升不超過50℃，但72h～120h日均降溫約2.5～5℃，降溫速率高于規范要求的2℃/d，且綜合圖4可知35～96 h混凝土里表溫差約28～45℃，超出我國《大體積混凝土施工標準》、日本建筑學會標準（JASS5）規定的25℃，同時也超過了歐盟Eurocode 1[8]，中規定的內外溫差推薦值：15℃。

雙曲式及雙指數式計算所得混凝土溫度場，頂板及底板測點溫升峰值出現在48 h左右，腹板測點溫升峰值出現在36 h左右。雙曲線式及雙指數式計算的測點最高溫同樣出現在3號測點，最高溫分別為：46.0℃與43.1℃，測點最大溫升分別為31℃及28.1℃，滿足規范要求，頂板72～120 h及腹板48h～120 h測點日均降溫大于2℃，最大里表溫差將近40℃，均遠超規范限值。由圖3及圖4可知3種水化熱模型計算所得溫度演變規律基本一致，指數式水泥水化熱模型溫度峰值較其他兩種水泥水化熱模型溫度峰值出現更晚，但最大溫度更大，而雙曲線式及雙指數式水泥水化熱模型溫度峰值出現時間較為相近，最高溫度相差約5℃。

針對混凝土箱梁里表溫度及降溫速率超出規范限值，根據美國規范ACI 207.1R-05《大體積混凝土指南》[15]中指出，大體積混凝土施工過程中宜采用波特蘭Ⅱ型水泥或者中熱水泥；根據《大體積混凝土施工標準》[9]在冬季施工時需嚴格控制混凝土入模溫度不低于5℃，拆模時需確保里表溫差不大于25℃，混凝土表面與環境溫差不大于20℃。通過采取以上措施能有效控制因水泥水化熱導致的溫度裂縫。

4 結論

（1）不同水泥水化熱模型計算下的測點最高溫為52.5℃，最高溫升為37.2℃，均小于GB 50496-2018《大體積混凝土施工標準》中所規定的50℃，最大降溫速率約為5℃/d，里表最大溫差最高約40℃，超出規范規定的2℃/d與最大里表溫差25℃，存在開裂風險。

（2）雙曲線式及雙指數式水化熱計算結果較指數值計算結果更接近現場混凝土實測值。但指數式測點計算最大溫升較其余兩式更高（約6.2～9.1℃），里表最大溫差大（約5℃），降溫速率更快（約1℃/d）；且3種水化熱模型計算所得溫度演變規律基本一致，指數式計算參數更為容易等原因，建議使用指數式水泥水化熱模型進行混凝土箱梁設計。

（3）大體積混凝土冬季施工時建議使用低熱或中熱型水泥，并嚴格控制混凝土入模溫度不低于5℃，拆模時需確保里表溫差不大于25℃且混凝土表面與環境溫差不大于20℃，以更好預防因水泥水化熱導致溫度裂縫的產生。

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作者簡介

鄧斌，本科，工程師，主要從事高速鐵路橋梁、軌道、隧道施工管理工作。

李帥，本科，工程師，主要從事于橋梁結構施工控制研究工作。

（責任編輯：袁文靜）