關(guān)于混凝土箱梁溫度場的研究

劉海彎

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國內(nèi)橋梁事業(yè)也取得了巨大成就，例如港珠澳大橋（55 km）、天津特大橋（113.7 km）、丹昆特大橋（164.85 km）、滄德特大橋（53.21 km）等這些橋梁的建成投運(yùn)都有標(biāo)志性意義?；炷料淞菏乾F(xiàn)代橋梁項(xiàng)目中常見的一種橋梁形式，其具有綜合性能好、施工及維護(hù)費(fèi)用低較低以及適用面廣等優(yōu)點(diǎn)，由于其自身材料限制，易發(fā)生水化熱，熱量短時(shí)間聚集，使混凝土箱梁內(nèi)部快速升溫，如果溫度擴(kuò)散不及時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致混凝土箱梁內(nèi)外溫差增大，溫度應(yīng)力也隨之增大。當(dāng)超出限值后就會(huì)引起裂縫病害，進(jìn)而損害混凝土箱梁整體的質(zhì)量。該文通過研究混凝土箱梁的溫度場，掌握溫度變化規(guī)律，并采取有效措施可以預(yù)防及控制溫度裂縫。因此，在混凝土箱梁施工中針對(duì)溫度場進(jìn)行分析是非常有必要的。

1 案例項(xiàng)目概況

某橋梁項(xiàng)目位于陜西省銅川市，該橋的主橋形式為2×（62.5+4×115+62.5）m變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)鋼構(gòu)箱梁橋，橋?qū)挾葹?2.0 m，縱坡為0.63%。且箱梁的根部梁高為6.5 m，高跨比為1/17.7；中跨梁高為2.8 m，高跨比為1/41.11/1、；梁高及底板厚度均按二次拋物線形式變化。箱梁0#塊頂板厚0.50 m，其余梁段厚0.28 m；0#塊腹板厚1.0 m，其余梁段腹板8#梁段及以前為0.60 m，9#～10#梁段由0.60 m按直線變化至0.45 m，11#梁段及以后為0.45 m。橋面橫坡為單向2%，箱梁頂面和底板平行。主橋下部主墩高54 m～59 m，其中3個(gè)中主墩采用單薄壁空心墩，2個(gè)邊主墩采用雙薄壁空心墩（雙肢間留2 cm縫隙），壁厚50 cm。主墩承臺(tái)下設(shè)9Φ170 cm摩擦樁。該橋梁項(xiàng)目所在地區(qū)屬溫和半干旱氣候區(qū)，氣候溫和濕潤，四季分明。

2 溫度場試驗(yàn)

2.1 混凝土溫度監(jiān)測設(shè)備

此次混凝土溫度監(jiān)測使用的設(shè)備包括JMT-36C型電阻式溫度傳感器及JMWT-64RT全自動(dòng)無人值守溫度采集儀，具體性能指標(biāo)見表1。

表1 混凝土測溫設(shè)備性能指標(biāo)

2.2 混凝土箱梁測點(diǎn)布置

混凝土箱梁早齡期的溫度場研究主要針對(duì)該箱梁的成橋階段溫度場分布及時(shí)變規(guī)律進(jìn)行研究。該混凝土箱梁的體型比較龐大而且結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，因此在每個(gè)位置都布置溫度傳感器是不太現(xiàn)實(shí)的。但是為了保證溫度實(shí)測數(shù)據(jù)的全面性、可靠性及有效性，該研究選取2#塊與4#塊之間的截面布置測溫傳感器來進(jìn)行溫度監(jiān)測。其中2#塊截面上共計(jì)布置了46個(gè)測溫點(diǎn)，4#塊截面上布置了36個(gè)測溫點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 4#塊箱梁橫截面溫度測點(diǎn)布置圖（單位：cm）

3 現(xiàn)場溫度實(shí)測數(shù)據(jù)

為了掌握該混凝土項(xiàng)目的溫度場分布規(guī)律及溫度效應(yīng)情況，從2019年12月——2020年12月，每間隔1 h～2 h便觀測一次實(shí)際溫度場數(shù)據(jù)，主要涉及環(huán)境溫度、箱梁各點(diǎn)溫度以及箱梁內(nèi)部溫度。并經(jīng)過統(tǒng)計(jì)匯總，最終得出該混凝土箱梁的內(nèi)部溫度及環(huán)境溫度年度變化情況，見表2。

從表2中可以看出，環(huán)境溫度的最高溫度值為38.6 ℃，最低溫度值為-8.8 ℃，而箱梁的最高溫度值為32.7 ℃，年平均最低溫度值為-5.6 ℃。

表2 橋址溫度統(tǒng)計(jì)表（℃）

4 混凝土箱梁溫度場分布及及其時(shí)變規(guī)律分析

4.1 箱梁頂板溫度

為了研究和掌握箱梁頂板各位置的溫度分布及變化情況，選擇溫差最大的2020年8月份的溫度進(jìn)行分析，并建立變化趨勢圖，2#塊與4#塊的截面頂板溫度分布及變化情況如圖2所示。又選擇2#塊截面頂板的同一深度處測點(diǎn)的溫度值，來分析頂板不同時(shí)間的溫度分布及變化規(guī)律，如圖3所示。

由圖2可以看出，2#塊與4#塊同一位置的測溫點(diǎn)的溫度分布及變化趨勢大致相同，這說明沿箱梁橋長方向的溫度基本上是一致的，且頂板的溫度分布趨勢為中間高、兩側(cè)低。這是因?yàn)橄淞喉敯宓闹虚g位置不僅會(huì)受到太陽的輻射作用，而且跟梁體內(nèi)的熱流交換也比較快，所以中間位置的溫度會(huì)高于兩側(cè)翼緣板的溫度。

圖2 箱梁頂板沿寬度方向的溫度分布

由圖3可以看出，箱梁頂板的溫度主要是隨太陽輻射強(qiáng)度變化而變化，例如，隨著太陽從東邊升起，東側(cè)的翼緣板因受太陽輻射較強(qiáng)，所以升溫較快，溫度較高，而西側(cè)翼緣板則升溫較慢，溫度交底；當(dāng)太陽升高后，西側(cè)翼緣板所受的太陽輻射也會(huì)變強(qiáng)，隨之溫度也慢慢升高；且箱梁頂部的溫度也會(huì)隨太陽輻射變強(qiáng)而升高。而在太陽輻射變?nèi)鹾?，箱梁頂板各位置的溫度也?huì)隨之下降。一天中箱梁頂板最高溫度出現(xiàn)在14：00。

圖3 不同時(shí)刻箱梁頂板的溫度分布

4.2 箱梁腹板溫度

同樣是選取2020年8月份溫度數(shù)據(jù)，對(duì)2#塊及4#塊箱梁西側(cè)的腹板溫度分布及變化規(guī)律進(jìn)行分析，得出相同時(shí)間、相同深度測溫點(diǎn)的溫度分布情況如圖4所示；2#塊西側(cè)腹板同一深度、不同時(shí)間的溫度分布如圖5所示。

由圖4可以看出，沿梁高方向，箱梁的腹板位置溫度分布是比較均勻的，波動(dòng)不大。該箱梁橋?qū)儆谑亲兘孛孢B續(xù)鋼構(gòu)橋，4#塊的梁高小于2#塊，但是4#塊與2#塊的腹板溫度分布規(guī)律基本一致，且溫度值差也不大。

圖4 箱梁西側(cè)腹板同一深度處沿梁高方向溫度分布圖

由圖5可以看出，腹板上部的測溫點(diǎn)溫度值比下部測溫點(diǎn)的溫度值高，隨著太陽輻射強(qiáng)度的增強(qiáng)及降低，腹板的溫度也會(huì)隨之變化。

圖5 不同時(shí)刻箱梁腹板的溫度分布

4.3 箱梁底板溫度分布

按上述同樣的方法，監(jiān)測匯總2#塊底板與4#塊底板在相同時(shí)間、相同深度的溫度分布情況，具體結(jié)果如圖6所示。2#塊底板不同時(shí)間的溫度分布情況如圖7所示。

由圖6可知，箱梁底板相同時(shí)間、相同深度的混凝土的溫度分布比較均勻，最大溫差＜1℃。同時(shí)，2#塊與4#塊的溫度分布規(guī)律大致相同，且兩者對(duì)應(yīng)測溫點(diǎn)的溫度值相差也比較小，說明混凝土箱梁底板的溫度分布跟箱梁高度大小沒有關(guān)系。同時(shí)，隨著太陽輻射強(qiáng)度的變化，箱梁底板的溫度也會(huì)隨之變化，但是變化幅度比較小。

圖6 箱梁底板同一深度處測點(diǎn)的溫度分布圖

5 結(jié)論及建議

5.1 結(jié)論

綜上所述，通過現(xiàn)場監(jiān)測及收集混凝土箱梁13個(gè)月的溫度數(shù)據(jù)及資料，并以2#塊、4#塊為例分析了箱梁的頂板、腹板和底板的溫度分布規(guī)律結(jié)論如下。在不考慮局部的三維熱傳導(dǎo)性質(zhì)的前提下，沿橋縱向的溫度分布一致，除此之外，箱梁頂板的溫度分布呈中間高，兩邊低的變化趨勢，遠(yuǎn)離頂板的腹板溫度沿高度方向分布較為均勻。

5.2 建議

在混凝土箱梁施工過程中，由于其自身特點(diǎn)決定了箱梁會(huì)因?yàn)榛炷了療峒皟?nèi)外溫差等因素影響而產(chǎn)生非均勻的溫度場，如果控制不當(dāng)就會(huì)增大箱梁內(nèi)外溫度應(yīng)力，進(jìn)而會(huì)引起溫度裂縫。為解決該問題，基于上述混凝土箱梁溫度場的分布及時(shí)變規(guī)律提出以下3點(diǎn)建議：1）采取分層澆筑，并按照“底板→腹板→頂板”的順序規(guī)范操作，并嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，例如在上述項(xiàng)目中，布料速度為30 m/h，且底板砼坍落度為220 mm，砼初凝時(shí)間為9 h、終凝時(shí)間為13 h；腹板砼坍落度為190 mm，初凝時(shí)間為6 h，終凝時(shí)間為10 h；頂板參考底板要求執(zhí)行。這樣可以有效控制箱梁早期混凝土水化熱溫度，避免早期出現(xiàn)溫度裂縫。2）科學(xué)養(yǎng)護(hù)。除了常規(guī)覆蓋避光保濕養(yǎng)護(hù)外，也要根據(jù)季節(jié)不同做好特殊養(yǎng)護(hù)，例如夏季，可在預(yù)應(yīng)力孔道中通冷卻水進(jìn)行降溫、在腹板中加鋪冷卻水管進(jìn)行降溫、在梁體內(nèi)腔用鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)降溫等；冬季采取蒸養(yǎng)工藝養(yǎng)護(hù)等；始終使箱梁內(nèi)外溫差保持均勻、可控，以避免出現(xiàn)裂縫問題。3）合理使用外加劑?；炷潦┕ぶ谐Ｓ玫耐饧觿┲饕袦p水劑、緩凝劑以及早強(qiáng)劑等，合理使用外加劑能有效延緩砼的早期水化熱。因此，在箱梁施工中，需要根據(jù)實(shí)際情況合理選用外加劑，改善混凝土早期水化熱，減緩溫升速度，防止出現(xiàn)裂縫。