關于混凝土箱梁溫度場的研究

劉海彎

（陜西鐵路工程職業技術學院，陜西 渭南 714000）

0 引言

隨著社會經濟的快速發展，國內橋梁事業也取得了巨大成就，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都有標志性意義。混凝土箱梁是現代橋梁項目中常見的一種橋梁形式，其具有綜合性能好、施工及維護費用低較低以及適用面廣等優點，由于其自身材料限制，易發生水化熱，熱量短時間聚集，使混凝土箱梁內部快速升溫，如果溫度擴散不及時，就會導致混凝土箱梁內外溫差增大，溫度應力也隨之增大。當超出限值后就會引起裂縫病害，進而損害混凝土箱梁整體的質量。該文通過研究混凝土箱梁的溫度場，掌握溫度變化規律，并采取有效措施可以預防及控制溫度裂縫。因此，在混凝土箱梁施工中針對溫度場進行分析是非常有必要的。

1 案例項目概況

某橋梁項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變截面預應力混凝土連續鋼構箱梁橋，橋寬度為12.0 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個中主墩采用單薄壁空心墩，2個邊主墩采用雙薄壁空心墩（雙肢間留2 cm縫隙），壁厚50 cm。主墩承臺下設9Φ170 cm摩擦樁。該橋梁項目所在地區屬溫和半干旱氣候區，氣候溫和濕潤，四季分明。

2 溫度場試驗

2.1 混凝土溫度監測設備

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

表1 混凝土測溫設備性能指標

2.2 混凝土箱梁測點布置

混凝土箱梁早齡期的溫度場研究主要針對該箱梁的成橋階段溫度場分布及時變規律進行研究。該混凝土箱梁的體型比較龐大而且結構也比較復雜，因此在每個位置都布置溫度傳感器是不太現實的。但是為了保證溫度實測數據的全面性、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行溫度監測。其中2#塊截面上共計布置了46個測溫點，4#塊截面上布置了36個測溫點，如圖1所示。

圖1 4#塊箱梁橫截面溫度測點布置圖（單位：cm）

3 現場溫度實測數據

為了掌握該混凝土項目的溫度場分布規律及溫度效應情況，從2019年12月——2020年12月，每間隔1 h～2 h便觀測一次實際溫度場數據，主要涉及環境溫度、箱梁各點溫度以及箱梁內部溫度。并經過統計匯總，最終得出該混凝土箱梁的內部溫度及環境溫度年度變化情況，見表2。

從表2中可以看出，環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 橋址溫度統計表（℃）

4 混凝土箱梁溫度場分布及及其時變規律分析

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的溫度值，來分析頂板不同時間的溫度分布及變化規律，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、兩側低。這是因為箱梁頂板的中間位置不僅會受到太陽的輻射作用，而且跟梁體內的熱流交換也比較快，所以中間位置的溫度會高于兩側翼緣板的溫度。

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度變化而變化，例如，隨著太陽從東邊升起，東側的翼緣板因受太陽輻射較強，所以升溫較快，溫度較高，而西側翼緣板則升溫較慢，溫度交底；當太陽升高后，西側翼緣板所受的太陽輻射也會變強，隨之溫度也慢慢升高；且箱梁頂部的溫度也會隨太陽輻射變強而升高。而在太陽輻射變弱后，箱梁頂板各位置的溫度也會隨之下降。一天中箱梁頂板最高溫度出現在14：00。

圖3 不同時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月份溫度數據，對2#塊及4#塊箱梁西側的腹板溫度分布及變化規律進行分析，得出相同時間、相同深度測溫點的溫度分布情況如圖4所示；2#塊西側腹板同一深度、不同時間的溫度分布如圖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，波動不大。該箱梁橋屬于是變截面連續鋼構橋，4#塊的梁高小于2#塊，但是4#塊與2#塊的腹板溫度分布規律基本一致，且溫度值差也不大。

圖4 箱梁西側腹板同一深度處沿梁高方向溫度分布圖

由圖5可以看出，腹板上部的測溫點溫度值比下部測溫點的溫度值高，隨著太陽輻射強度的增強及降低，腹板的溫度也會隨之變化。

圖5 不同時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，監測匯總2#塊底板與4#塊底板在相同時間、相同深度的溫度分布情況，具體結果如圖6所示。2#塊底板不同時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，2#塊與4#塊的溫度分布規律大致相同，且兩者對應測溫點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系。同時，隨著太陽輻射強度的變化，箱梁底板的溫度也會隨之變化，但是變化幅度比較小。

圖6 箱梁底板同一深度處測點的溫度分布圖

5 結論及建議

5.1 結論

綜上所述，通過現場監測及收集混凝土箱梁13個月的溫度數據及資料，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律結論如下。在不考慮局部的三維熱傳導性質的前提下，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，由于其自身特點決定了箱梁會因為混凝土水化熱及內外溫差等因素影響而產生非均勻的溫度場，如果控制不當就會增大箱梁內外溫度應力，進而會引起溫度裂縫。為解決該問題，基于上述混凝土箱梁溫度場的分布及時變規律提出以下3點建議：1）采取分層澆筑，并按照“底板→腹板→頂板”的順序規范操作，并嚴格控制施工質量，例如在上述項目中，布料速度為30 m/h，且底板砼坍落度為220 mm，砼初凝時間為9 h、終凝時間為13 h；腹板砼坍落度為190 mm，初凝時間為6 h，終凝時間為10 h；頂板參考底板要求執行。這樣可以有效控制箱梁早期混凝土水化熱溫度，避免早期出現溫度裂縫。2）科學養護。除了常規覆蓋避光保濕養護外，也要根據季節不同做好特殊養護，例如夏季，可在預應力孔道中通冷卻水進行降溫、在腹板中加鋪冷卻水管進行降溫、在梁體內腔用鼓風機進行通風降溫等；冬季采取蒸養工藝養護等；始終使箱梁內外溫差保持均勻、可控，以避免出現裂縫問題。3）合理使用外加劑。混凝土施工中常用的外加劑主要有減水劑、緩凝劑以及早強劑等，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，需要根據實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，防止出現裂縫。