PC箱梁橋水化熱溫度控制跟蹤分析及裂縫預(yù)測

楊愛民YANG Ai-min；鄔曉光WU Xiao-guang；丁一DING Yi

（①長安大學(xué)，西安710064；②邢臺市邢衡高速公路管理處，邢臺054000）

1 工程背景

老漳河特大橋為河北省邢臺市境內(nèi)邢衡高速上跨越老漳河的一座特大橋梁，該橋全長1504m，上部結(jié)構(gòu)采用裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁和預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁，箱梁0號塊和1號塊段的長度分別為10m和4m，底板寬為7m，底板厚度由0.7m和1.1m，箱梁混凝土設(shè)計強度為50MPa[1]。對0號塊和1號塊進行混凝土水化熱監(jiān)測，防止在后期懸臂施工中產(chǎn)生由水化熱溫度而引起的裂縫。

2 水化熱溫度監(jiān)測

2.1 測點布置 溫度測點的布置取混凝土梁0號塊代表性截面，并且遵守水化熱發(fā)生在截面最厚處的原則，布置在0號塊中間位置，監(jiān)測箱梁內(nèi)部混凝土水化熱溫度，由于其對稱性，共設(shè)置9個測點，同時從測點向外延伸至表面深度1cm處設(shè)置參考測點，監(jiān)測橋梁箱梁表面溫度，共9個參考點。共設(shè)測點數(shù)為18個。測點分布見圖1（參考點未標(biāo)出）。

圖1 0號塊測點布置圖

2.2 測溫方法 溫度傳感器采用WRN型分度號K熱電偶溫度計，測溫范圍：-50～400℃，測溫精度：0.75%±2.5℃。測試儀器采用TES-1310數(shù)字式溫度表，解析度為0.1℃，溫度測量范圍：-50℃～199.9℃，溫度測量精度：±（0.3%＋1℃）。

3 有限元軟件仿真模擬對比分析

3.1 箱梁內(nèi)部混凝土水化熱溫度 根據(jù)溫度測試結(jié)果，可以得到混凝土內(nèi)部水化熱[2]溫度曲線，如圖2。圖中我們可以看出內(nèi)部混凝土水化熱溫度經(jīng)歷了上升和下降階段，并且上升較快，而下降較慢混凝土澆注后此空間內(nèi)空氣的溫度較高，箱梁外大氣溫度影響較小，散熱慢而造成的。澆筑后40個小時后，出現(xiàn)最高溫度，其最高溫度可達到62.1℃。

3.2 箱梁表面混凝土水化熱溫度 箱梁表面混凝土水化熱溫度[3][4]（圖3）實測的混凝土表面溫度曲線具有與圖2中相同的變化，但有明顯不同之點。

圖2 截面2內(nèi)部水化熱溫度時程曲線

①在混凝土表面由于水化熱引起的最高溫度實測值處于35.69～42.50℃之間，因此，低于混凝土內(nèi)部的溫度；

②混凝土澆筑后約16h，底邊混凝土表面就能達到最高問題，而內(nèi)部水化熱溫度要在澆注混凝土后約40h才能達到最高值。

澆注混凝土40h后，表面混凝土水化熱溫度出現(xiàn)最高值，最高可以達到42.5℃，小于內(nèi)部混凝土水化熱溫度。

圖3 箱梁表面混凝土水化熱溫度示意圖

3.3 有限元水化熱模型計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比分析 由于本橋的0號塊和一號塊具有雙軸對城鄉(xiāng)，我們在進行模擬分析的時候取結(jié)構(gòu)的1/4進行模擬。

箱梁底板混凝土內(nèi)部和表面最高溫度并不同時達到，并且兩者溫度曲線下降段的形式也不完全一樣。因此，最大溫差并不是簡單的用最高溫度相減獲得的。在整個水化熱冷卻過程中溫度變化幅度大，5號和6號測點溫度由峰值時的60℃～62℃到最低溫度21℃～23℃，溫降達40℃溫降速度快，尤其在降溫過程中的第一和第三階段。由于環(huán)境溫度與混凝土內(nèi)部溫度差值也可能最大達到40℃，因此，拆模是可能出現(xiàn)“溫度沖擊”[5]現(xiàn)象，造成箱梁端部是容易產(chǎn)生溫度裂縫的。

由圖4可以看出曲線實測值與理論值基本一致，結(jié)構(gòu)的最高溫升、及降溫速度均與理論值基本上是一致的，理論值總體上略微偏高，表明參數(shù)選取較為合理，能夠指導(dǎo)施工。

根據(jù)圖5應(yīng)力分析結(jié)果可以看出，應(yīng)力峰值與溫度峰值并沒有在同一時間點上出現(xiàn)，而應(yīng)力峰值卻是在混凝土內(nèi)部和表面溫度差最大的時候出現(xiàn)的。頂板澆筑完成水化熱溫度達到峰值時，上表面與橫隔板及腹板橫隔板間應(yīng)力較大。說明有限元軟件MIDAS/FEA能夠較為正確的模擬大跨度PC箱梁橋施工過程中的水化熱溫度場，同時也驗證了水化熱溫度場跟蹤監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

4 PC箱梁橋水化熱溫度裂縫預(yù)測與防裂措施

通過大型有限元軟件MIDAS/FEA仿真分析，模擬大跨度PC箱梁橋施工過程中的水化熱溫度場。通過預(yù)測分析，針對溫差過大，溫度應(yīng)力集中等可能出現(xiàn)裂縫的薄弱環(huán)節(jié)制定具體可行的防裂措施。

防裂對策有：

①采取冷卻水?dāng)嚢璺ń档突炷寥肽囟龋?/p>

②混凝土澆筑結(jié)束后，加強養(yǎng)護；

③控制拆模時間；

④控制拆模順序，在規(guī)定的容許溫差內(nèi)拆端木模，并且要及時進行保溫保濕養(yǎng)護；

⑤適當(dāng)增加預(yù)測分析中薄弱位置的防裂鋼筋。

圖4 理論值與實測值比較

圖5 60h時0號塊應(yīng)力圖

5 結(jié)論

①依托實際工程，跟蹤監(jiān)測0號塊及1號塊水化熱溫度場，并與有限元仿真軟件MIDAS/FEA相互驗證其正確性。

②有限元仿真軟件MIDAS/FEA可以正確的模擬PC箱梁橋水化熱溫度場，并預(yù)測水化熱溫度場引起的裂縫。

③通過有限元軟件MIDAS/FEA仿真對水化熱溫度場引起的裂縫預(yù)測，制定合理的防裂對策。

④該成果對河北該地區(qū)大跨度箱梁橋施工具有一定的參考價值。

[1]阮靜，葉見曙，謝發(fā)祥等.高強度混凝土水化熱研究[J].東南大學(xué)學(xué)報，2001，31(3):53-46.

[2]朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M].北京:中國電力出版社，1999.

[3]張亮亮，陳天地，袁政強.橋墩混凝土的水化熱溫度分析[J].公路，2007(9):66-69.

[4]趙文覺，趙維漢.大體積混凝土水化熱的控制方法及效果[J].公路，2007(2):131-133.

[5]劉興法.混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力分析[M].北京:人民交通出版社，1991.