預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁蒸養(yǎng)過程溫度場(chǎng)分析

摘要 為了研究預(yù)制小箱梁在蒸養(yǎng)過程中的溫度場(chǎng)變化情況及其引發(fā)的應(yīng)力分布狀態(tài)，文章以海鹽射線01標(biāo)段小箱梁預(yù)制生產(chǎn)為依托，對(duì)混凝土小箱梁在蒸養(yǎng)施工各階段的溫度計(jì)應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，智能控制養(yǎng)生系統(tǒng)，提高了蒸養(yǎng)效率，滿足施工過程的抗裂性要求。

關(guān)鍵詞 預(yù)制小箱梁；蒸汽養(yǎng)生；溫度場(chǎng)；數(shù)值分析

中圖分類號(hào) U445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2025）05-0128-03

0 引言

預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土小箱梁橋是一種常見的橋梁結(jié)構(gòu)形式，具有施工速度快、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于中小跨徑橋梁工程中，并逐步采用工廠化的集中預(yù)制生產(chǎn)，以工業(yè)化的模式提升小箱梁橋的施工效率。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)預(yù)制混凝土箱梁橋的預(yù)制施工技術(shù)已開展一定研究，有學(xué)者對(duì)小箱梁的工業(yè)化建造技術(shù)進(jìn)行了研究，分析了采用工廠化預(yù)制的主要工藝和優(yōu)勢(shì)[1-2]；也有學(xué)者針對(duì)混凝土橋梁的蒸養(yǎng)施工技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)與研究，分析了在集中預(yù)制生產(chǎn)條件下采用蒸汽養(yǎng)生的關(guān)鍵工藝技術(shù)[3-4]，以及蒸汽養(yǎng)生的控制要點(diǎn)和其相應(yīng)的應(yīng)用技術(shù)等[5-6]。綜上，現(xiàn)有研究主要針對(duì)小箱梁預(yù)制生產(chǎn)工藝及質(zhì)量控制要點(diǎn)開展，對(duì)蒸養(yǎng)過程中溫度及應(yīng)力變化情況的研究相對(duì)較少。為了對(duì)基于工業(yè)化生產(chǎn)的預(yù)制小箱梁在采用智能控制蒸養(yǎng)條件下的溫度場(chǎng)變化情況進(jìn)行研究，該文以嘉興市海鹽射線01標(biāo)段預(yù)制小箱梁為依托，對(duì)其蒸養(yǎng)施工過程的溫度特性進(jìn)行研究。

1 工程概況

1.1 總體概況與建設(shè)條件

海鹽射線01標(biāo)段全長(zhǎng)10.996 km，起訖樁號(hào)為K11+517.035～K22+512.7，雙向六車道，橋梁寬度為27.0 m。項(xiàng)目為連續(xù)高架橋，其中新建高架道路約10.716 km，共設(shè)置6座高架橋，分別為永泰路互通高架橋、創(chuàng)新路高架橋、鹽百線高架橋、海鹽互通高架橋、邱家浜高架橋和鹽于公路互通高架橋。預(yù)制梁共計(jì)2 985片，其中25 m預(yù)制箱梁844片（中梁655片，邊梁188片），30 m預(yù)制箱梁2 141片（中梁1 671片，邊梁470片），C50預(yù)應(yīng)力混凝土10.5萬立方米。

1.2 蒸養(yǎng)施工特點(diǎn)

為了提高蒸養(yǎng)效率，該項(xiàng)目的養(yǎng)生系統(tǒng)采用智能控制養(yǎng)生系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)制箱梁養(yǎng)生；使用生物質(zhì)鍋爐產(chǎn)生熱蒸汽，養(yǎng)護(hù)用水采用自來水，蒸汽通過保溫管輸送到蒸養(yǎng)房，每個(gè)蒸養(yǎng)房?jī)?nèi)布設(shè)2根蒸汽輸送管道，通過電磁球閥控制主管道與支管道送往各蒸養(yǎng)房的蒸汽量，并在養(yǎng)生房?jī)?nèi)設(shè)置溫濕度傳感器，對(duì)養(yǎng)生棚內(nèi)的溫濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果調(diào)整蒸汽的供養(yǎng)效率。

2 分析模型與參數(shù)

2.1 蒸養(yǎng)主要參數(shù)

該項(xiàng)目小箱梁的混凝土型號(hào)為C50，采用的混凝土配合比如表1所示，采用單摻配備，水泥用量為422 kg。

根據(jù)水泥及摻和料的水化熱量，計(jì)算混凝土的絕熱溫升，其中水泥水化熱量為309 kJ/kg，摻和料水化熱量為155 kJ/kg。依據(jù)式（1）計(jì)算得到混凝土的絕熱溫升數(shù)值，其最大絕熱溫升為63.7℃。

= 63.7℃（1）

計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮徐變對(duì)混凝土收縮應(yīng)力的影響，其中混凝土的徐變?nèi)≈蛋唇?jīng)驗(yàn)數(shù)值模型，將徐變公式代入程序計(jì)算，公式如下：

（2）

式中，C1＝0.23/E2；C2＝0.52/E2；E2——最終彈模，取3.45×104 MPa。

在混凝土箱梁的蒸養(yǎng)過程中，蒸汽的最高溫度為55℃，蒸養(yǎng)的標(biāo)準(zhǔn)流程如下：澆筑完成后，混凝土靜停時(shí)間為8 h，升溫時(shí)間為5 h，恒溫蒸養(yǎng)時(shí)間為10 h，降溫時(shí)間為6 h。

2.2 計(jì)算模型

為了保證蒸養(yǎng)溫度的合理性，該文建立小箱梁的截面有限元模型進(jìn)行分析，模擬分析混凝土小箱梁在蒸汽養(yǎng)生過程中小箱梁內(nèi)外部的溫度變化情況。有限元計(jì)算模型采用通用有限元軟件Ansys進(jìn)行。

在計(jì)算過程中，模擬混凝土在蒸養(yǎng)過程中的生化熱變化過程，同時(shí)模擬養(yǎng)生房?jī)?nèi)環(huán)境溫度隨養(yǎng)生制度的變化規(guī)律。通過熱傳導(dǎo)計(jì)算分析，確定箱梁內(nèi)部及表面各位置溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律，進(jìn)而分析混凝土箱梁的應(yīng)力變化情況。

3 蒸養(yǎng)施工過程溫度場(chǎng)變化規(guī)律

3.1 箱梁溫度變化規(guī)律

在混凝土澆筑并振搗完成后，小箱梁先靜置8 h后放入養(yǎng)生房?jī)?nèi)進(jìn)行蒸汽養(yǎng)生。在養(yǎng)生房?jī)?nèi)，蒸汽溫度上升及恒溫養(yǎng)生過程中典型時(shí)間節(jié)點(diǎn)的小箱梁溫度變化情況如圖1所示。在開始升溫時(shí)，混凝土的內(nèi)部溫度大于表面溫度，這是由于內(nèi)部受到生化升溫影響，內(nèi)部的最大溫度為36.5℃。隨著養(yǎng)生房?jī)?nèi)溫度的上升，混凝土表面溫度開始逐漸上升，在升溫2 h后，養(yǎng)生房?jī)?nèi)的環(huán)境溫度達(dá)到40℃，混凝土內(nèi)外部的溫度基本達(dá)到平衡。在蒸養(yǎng)4 h后，箱梁外表面溫度開始明顯大于內(nèi)腔表面溫度，此時(shí)混凝土內(nèi)表面處于受拉狀態(tài)，而外表面則處于受壓狀態(tài)。在蒸養(yǎng)8 h后，混凝土養(yǎng)生房?jī)?nèi)的溫度處于55℃恒溫，此時(shí)混凝土溫度基本達(dá)到50℃，內(nèi)腔溫度略低。

在恒溫養(yǎng)生10 h后，開始對(duì)養(yǎng)生房?jī)?nèi)的溫度進(jìn)行降溫，降溫過程中的溫度場(chǎng)變化情況如圖2所示。降溫1 h后箱梁的外表面溫度開始逐漸降低，此時(shí)開始出現(xiàn)外表面受拉現(xiàn)象。在降溫2 h后，混凝土外表面的溫度開始降至50℃，此時(shí)箱梁斷面上有明顯的溫度梯度分布，內(nèi)表面及箱梁內(nèi)部的溫度顯著高于外表面溫度，需要控制梯度溫度不能過大，避免外表面出現(xiàn)過大的拉應(yīng)力。

3.2 溫度梯度變化規(guī)律

為了直觀地對(duì)比不同位置處混凝土溫度的變化情況，該文分別選取小箱梁的頂板、腹板、底板混凝土外緣及內(nèi)部的不同控制點(diǎn)進(jìn)行分析。考慮結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，小箱梁混凝土外側(cè)控制點(diǎn)僅選取小箱梁截面左側(cè)的部分關(guān)鍵點(diǎn)，選取的溫度控制點(diǎn)位置分布情況見圖3所示。

對(duì)各控制點(diǎn)混凝土的溫度變化情況進(jìn)行分析計(jì)算后可知，在靜置階段，混凝土水化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量變化較為明顯，混凝土外側(cè)點(diǎn)由于散熱作用升溫變化幅值為25℃，略小于混凝土內(nèi)側(cè)各點(diǎn)的升溫幅值30℃；在蒸養(yǎng)階段，對(duì)于小箱梁外緣的混凝土測(cè)點(diǎn)，其溫度曲線隨著外界蒸養(yǎng)溫度的變化迅速升高，且溫度峰值為58℃，略超蒸養(yǎng)棚內(nèi)的設(shè)定溫度55℃；在降溫階段，混凝土溫度的降低現(xiàn)象也較為明顯，而對(duì)于小箱梁內(nèi)部的混凝土控制點(diǎn)，由于該位置處的混凝土厚度較大，該區(qū)域內(nèi)的溫度變化相對(duì)緩慢。在養(yǎng)生過程中，箱梁內(nèi)部的溫度梯度較為均勻，均在15℃以下。

3.3 蒸養(yǎng)過程應(yīng)力變化規(guī)律

根據(jù)養(yǎng)生施工過程中的溫度場(chǎng)變化情況，對(duì)混凝土箱梁在養(yǎng)生過程中的應(yīng)力場(chǎng)變化規(guī)律進(jìn)行分析。結(jié)果表明，在養(yǎng)生過程中由于箱梁內(nèi)出現(xiàn)的梯度溫度變化情況，導(dǎo)致混凝土箱梁內(nèi)出現(xiàn)的最大拉應(yīng)力為0.45 MPa，小于對(duì)應(yīng)的混凝土抗拉強(qiáng)度1.15 MPa，滿足養(yǎng)生施工過程的抗裂性要求。養(yǎng)生過程設(shè)定的溫度調(diào)整策略合理可行。

4 結(jié)束語

結(jié)合項(xiàng)目海鹽射線01標(biāo)段預(yù)制箱梁的預(yù)制生產(chǎn)，該文對(duì)預(yù)應(yīng)力小箱梁智能蒸養(yǎng)過程中的溫度場(chǎng)變化情況進(jìn)行了研究，形成以下結(jié)論：

（1）分析了預(yù)制混凝土在養(yǎng)生過程中的絕熱溫升情況，依托工程配合比的最大絕熱溫升為63.7℃。

（2）在養(yǎng)生過程中的蒸養(yǎng)溫升階段，混凝土外表面溫度大于內(nèi)表面，內(nèi)表面處于受拉狀態(tài)，而在降溫過程中，外表面溫度小于內(nèi)表面，外表面處于受拉狀態(tài)。

（3）混凝土澆筑后靜停時(shí)間8 h、升溫5 h、恒溫蒸養(yǎng)10 h、降溫6 h后的溫度，按照該養(yǎng)生制度混凝土內(nèi)出現(xiàn)的最大拉應(yīng)力為0.45 MPa，滿足施工過程的抗裂性要求。

（4）形成的智能控制溫度養(yǎng)生制度，能夠滿足小箱梁預(yù)制養(yǎng)生的需求，可為小箱梁預(yù)制生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

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