江市特大桥箱梁混凝土水化热温度实测与分析.pdf

第 3 8卷 ， 第 6 期 2 0 1 3年 1 2月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 3 8，No 6 De c ， 2 0 1 3 江市特大桥 箱梁混凝土水 化 热温 度实测与分析 杨 建斌 ， 方 志 ， 何 俊 荣 ，马 智慧 ( 1 湖南 省怀通 高速公 路建设 开 发有 限 公 司，湖 南 怀 化4 1 8 1 1 6 ； 2 湖 南 大学 土 木工 程学 院 ，湖 南 长 沙 41 0 0 8 2) 摘 要 混凝土水化热是引起箱梁产生早期裂缝 的主要 因素之 一。本文 对江市特大桥 l 9 墩右 幅 0 块箱梁 混凝土水化热温度场进行 了现 场实测 ， 并用 Mi d a s C i v i l 软件建立有 限元模型进 行 了仿真分 析 ， 计 算值和实 测值吻 合 良好 。基于实测和分析结果对 内外温差控制 、 混凝土配合 比设 计 及早期开 裂控制提 出若 干建议 ， 对箱梁 开裂控 制工作具有指导性意义 。 关键词 水 化热 ； 温度场 ；有限元分析 【 中图分 类号 U 4 4 8 2 1 3 【 文献标识码 A 【 文章编号 1 6 7 4 - 0 6 1 0 ( 2 0 1 3 ) 0 6 0 0 6 5 0 5 Fi e l d Te s t a n d An a l y s i s o n Hy dr a t i o n He a t Te mp e r a t u r e o f Co n c r e t e Bo x Gi r d e r i n J i a n g s h i Br i d g e YANG J i a n b i n ，F ANG Zh i ，HE J u n r o n g ，M A Zh i h u i ( I Hu n a n Hu a i t o n g E x p r e s s w a y C o n s t r u c t i o n& De v e l o p me n t L t d，Hu a i h u a ，Hu n a n 4 1 8 1 1 6，C h i n a ； 2 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， H u n a n U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a ， H u n a n 4 1 0 0 8 2 ，C h i n a ) A b s t r a c t H y d r a t i o n h e a t o f c o n c r e t e i s o n e o f t h e m a i n f a c t o r s g e n e r a t i n g t h e e a r l y c r a c k s o f b o x g i r d e r I n t h i s p a p e r ，fi e l d t e s t o n t e mp e r a t u r e d i s t r i b u t i o n o f t h e b o x g i r d e r o f J i a n g s h i b r i d g e w a s c o n du c t e d a n d t h e fin i t e e l e me n t mo d e l wa s e s t a b l i s h e d f o r t h e s i mul a t i o n a n a l y s i s Th e c a l c u l a t e d a n d t h e me a s u r e d v a l u e s c o i n c i d e we l 1 Ba s e d o n t h e r e s u l t s，s o me s u g g e s t i o n s we r e ma d e f o r i n s i d e a n d o u t s i d e t e mp e r a t u r e d i f f e r e n c e c o n t r o l ，t h e mi x de s i g n o f c o n c r e t e，a nd e a r l y c r a c k i n g c o n t r o 1 K e y w o r d s h y d r a t i o n h e a t ；t e mp e r a t u r e f i e l d ； fi n i t e e l e m e n t a n a l y s i s 1 概述 江 市特 大桥 为 7 0 m +1 2 0 m +1 0 5 m + 6 5 m 预 应 力混凝 土 连 续 刚 构 桥 ， 采 用 分 离 的 上 、 下 行 两 座 桥。左幅梁宽 2 1 5 m采用单箱双室截面， 右幅梁宽 l 2 0 m采用 单 箱单 室 截 面 。其 中水 化 热 测 试 截 面 梁高 6 0 m， 底板厚 0 9 m， 腹板厚 0 6 m， 横隔板厚 1 2 m。箱梁采用 C 5 5混凝土， 配合比如表 1 所示。 表 1 主桥箱梁混凝土 C 5 5配合 比 T a b l e 1 T h e P r o p o r t i o n De s i g n o f C 5 5 ( k gm ) 考虑到箱梁混凝 土强度高 、 混凝土中水 泥用量 大以及施工季节的特点 ， 需要对该箱梁混凝 土的水 化热温度场进行实测与研究 ， 同时用 MI D A S对其进 行有限元仿真分析， 以对箱梁的开裂控制提供指导。 实测与计算温度值对 比结果显示二者吻合 良好 ， 说 明所建立的模型能够准确模拟实际情况。基于实测 和计算温度时程结果 ， 并且通过对横隔板部位温度 应 力 的分 析 ， 提 出 了对 内外温差 控制 、 配合 比优 化设 计和施工养护的若干建议 ， 对箱梁开裂控制具有指 导性 意义 。 2 水化热 温度测试与分析 2 1 测 点布置 及测试 方 法 在 江市 特 大 桥 右 幅 l 9 墩 0号 块 共 布 置 2 1个 【 收稿 日期 2 0 l 3 一l l 一2 0 ( 作者简介杨建斌( 1 9 7 0 一) ， 男 ， 湖南益阳人， 高级工程师 ， 主要从事高速公路建设与管理工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 公路工程 3 8卷 水化热测点( 如图 1 、 图2所示 ) ， 其中 0号块断面中 布置 1 4个测点 ， 0号块小桩号侧横隔板处布置 5个 测点 ， 用来测试水化热过程中箱梁混凝土温度 的变 化规 律 。 环 温度传感器 图 1腹板及底板测点布置 图( 单位 ： c a) _ F i g u r e 1 Ob s e r v a t i o n po i n t s p o s i t i o n o f we bs a n d b o t t o m pl a t e ( Un i t ：t i n ) 通 侧 厂 图 2 横隔板测点布置图( 单位： c m) F i g u r e 2 Ob s e r v a t i o n p o i n t s p o s i t i o n o f d i a p h r a g m( Un i t ： c m) 箱 梁 内 、 外 大气 温 度 和箱 梁混 凝 土 表 面温 度 通 过点式温度计来测试， 混凝土 内部温度及通过预埋 温度传感器 ， 用 S Z Z X Z H读数仪来测试。 在 浇 筑混 凝 土 时 ， 首先 要 观测 混 凝 土 的人 模 温 度。新浇混凝土约 2 0 h会升温至最高 ， 在浇筑之后 3 d内会保 持相对很高的温度。因此 ， 新 浇混凝土 在浇 筑 后 3 d内每 隔 2 h对 温 度进 行 连 续 观 测 ， 此 后可据实测温度情况适 当加大测试时间间隔。在每 次进 行 温度 观测 的 同时 ， 要 对新浇 混凝 土 、 已浇混 凝 土的表面温度进行测量， 并且要记录箱梁 内外环境 温度变化。水化热连续观测约持续一周的时间。 2 0 1 1年 7月 2 5日 1 9 ： 0 5至 8月 1日 0 6 ： 0 0 ， 对 江市特 大桥主桥箱梁进行 了长达 1 4 9 h的连续 观 测 ， 前 7 2 h测试 间隔 2 h ， 其它测试间隔 34 h不 等 。 2 2测试 结果 与分析 1 9 墩 右幅 0 块 水化 热 温度 场 主要 测 试 结 果 如 图 3图 1 1所示 ， 水化 热温 度 场 测试 结 果 时程 曲线 图时间坐标轴 的0时刻为 2 0 1 1 年 7月 2 6日0 0 ： 3 5 。 混凝土浇筑时间为 7月 2 5日1 9 ： 0 0至 2 6日1 5： 0 0 ， 入模温度 3 6 一 3 8 o C不等。 2 2 1 环境温度场 图 3为箱梁 内外大气实测温度时程曲线， 包括 箱梁外大气温度和箱梁内大气温度。 坝 9 试 时 间 h 图 3箱梁 内外大气温度时程 曲线 Fi g u r e 3 En v i r o n me n t a l t e mp e r a t u r e a r o u nd b ox g i r d e r 从图 3中可以看 出， 箱梁 内外大气温度呈相似 规律的周期性变化 。箱梁外大气最高温度为 3 8， 出现在 7月 2 9日1 4： 2 0左右 ， 最低温度为 2 5 ， 出 现在 7月 2 9日0 5： O 0左 右。箱梁内部 大气最高温 度为 3 8 ， 分别出现在 7月2 8日1 3 ： 3 0 、 l 7 ： 3 0和 7 月 3 1 号 1 3 ： 2 0左右 ， 最低温度为 2 8， 分别出现在 7月 3 1日0 5： 4 0左 右 。 2 2 2 水 化热 温度 场 箱梁底板水化热测试结果如图 4 、 图 5所示， 图4为箱梁底板各测点温度时程曲线 ， 图 5为箱梁 底 板上 表面 与混 凝土 内部 测点 温差 时程 曲线 。 图 4底 板 买 测 温 度 时 程 曲线 Fi g u r e 4 Me a s u r e d t e mpe r a t u r e o f b o t t om p l a t e 底板混凝土入模温度为 3 8 ， 由图 4可以看 出， 混 凝 土在其 浇筑后 1 7 h达 到 最高 温 度 7 7 ， 最 大温 升 为 3 9 c =， 温 度 大 于 7 5 c lC的持 续 时 间 约 1 2 h 。 由图 5可 以看 出 ， 整 个 水 化 过 程 中箱 梁 底 板 混 凝土 内外最 大 温差 为 4 0 q C 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 杨 建斌 ， 等 ： 江市特大桥箱梁 混凝土水 化热 温度实测 与分析 6 7 箱梁下游腹板水化热测试结果见图 6 、 图 7 ， 图 6为下游腹板各测点温度时程曲线， 图 7为下游 腹板混凝土内外表面与内部测点温差时程曲线。 、 趔 魁 赠 嚣 图 5底板实测温差 时程 曲线 Fi g ur e 5 Te mp e r a t u r e d i f f e r e nc e o f bo t t o m p l a t e 图 6下游腹板实测温度时程 曲线 Fi g u r e 6 Me a s u r e d t e mp e r a t u r e o f do wn s t r e a m we b 24 2 0 l 6 12 s 蒙 0 4 8 一 一 擦 鲞 一 一 一 一 一 j 一j 测 试 时 l 闭 ， h 图 7下游腹板 实测 温差时程曲线 F i g u r e 7 Te mp e r a t u r e di f f e r e n c e o f d o wns t r e a m we b 下游 腹板 混凝 土人模 温 度为 3 6 3 c 【 二 ， 由图 6可 以看出， 混凝土在其浇筑后 1 2 h达到最高温度 7 1 3 ， 最 大温 升 为 3 5 ， 温 度大 于 6 9 的持续 时 间约 6 h 。 由图 7可 以看 出 ， 整 个水 化 过程 中下 游腹 板 混 凝 土 内外最 大温 差为 2 2 。 箱梁上游腹板水化热测试结果见图 8 、 图 9 ， 图 8为上游腹板各测点温度时程曲线， 图 9为上游 腹 板混凝 土 内外 表面 与 内部测 点温差 时 程 曲线 。 、 赠 嚣 、 赠 嚣 林 测试时 间 h 图 8上游腹板实测温度时程 曲线 F i g u r e 8 Me a s ur e d t e mp e r a t u r e o f u ps t r e a m we b _ 7 厂 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 l 2 0 l 4 0 l 6 0 图 9上 游 腰 板 买测 内外 温 时程 曲 线 F i g u r e 9 Te mp e r a t u r e di f f e r e nc e o f up s t r e a m we b 上游腹板混凝土人模温度为 3 6 ， 由图8可以 看出， 混凝土在其浇筑后 1 6 h达到最高温度 6 6 3 ， 最 大温升 为 3 0 3 ， 温度 大 于 6 5的持 续时 间 约 6 h 。 由图 9可 以看 出 ， 整个 水 化过程 中上 游腹 板 混凝 土 内外最 大温 差为 1 8 5 。 通道侧横隔板水化 热测试结果见 图 l 0 、 图 l 1 。图 1 0为横隔板各测点温度 时程 曲线 ， 图 l 1为 横隔板混凝土内外表面与内部测点温差时程曲线。 测 试 时 】 h 图 1 0通道侧横 隔板 实测温时程曲线 F i gu r e 1 0 Me a s u r e d t e mp e r a t ur e o f di a p hr a g ms 通 道侧 横隔板 混凝 土人模 温 度为 3 7 1 ， 由图 l 0可以看出， 混凝土在其浇筑后 2 0 h达到最高温度 8 4， 最大温升为 4 6 9， 温度大于 8 3 的持续时 间 约 l 0 h 。 由图 l 1 可 以看 出 ：整 个 水 化 过程 中横 0 4 ：含 舯 ：。加： 2 如 、 赠 嚣林 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 8 公路工程 3 8卷 4 5 4 0 3 5 芝3 0 嚣 2 5 赠 2 O 霖1 5 l 0 O 图 l l 通道侧横 隔板实 测内外差 时程 曲线 F i g u r e 1 1 T e mp e r a t u r e d i f f e r e n c e o f d i a p h r a g ms 隔板混凝土内外最大温差为 4 0 c I = 。 2 3水化 热分析 国际预应力协会规定 ：凡是混凝土一次浇筑尺 寸大于 0 6 m， 特别是水泥用量大于 4 0 0 k g m 时， 应该考虑用水化放热慢的水泥或是采取其他降温散 热措施。 公路桥涵施工技术规范 ( J T J 0 4 1 - 2 0 0 0 ) 规定 ： 大体积混凝土为最小边尺寸在 1 3 In范围内 的混凝土。江市特大桥 0号块横隔板厚达 1 2 n l ， 0 号块底板厚达 0 9 n l 。采用的配合比水泥用量超过 4 0 0 k g m ， 这说明江市特大桥箱梁横隔板和底板基 本上属于大体积范畴 ， 在施工期 间应采取有效措施 降低混凝土的水化热 “ 。 依据施工配合 比参数 ， 对 主桥箱梁 0号块进行 了水化热温度场及其效应分析。建模 时在横隔板下 端面施加固结约束， 模板的作用参考实际的模板设 计刚度采用节点弹性支撑边界条件模 拟， 在箱梁混 凝土的箱室内外表面分别施加对流边界， 现场施工 时对环境温度和水化热进行 了实时测量。江市特大 桥 0号块水化热分析模型如图 l 2所示 。 图 l 2 江市特大桥 0号块计 算模型 Fi g u r e 1 2 The fini t e e l e me n t mo de l o f O#s t a g e 分析时混凝土的物理参数取值如下： 混凝土的人模温度取实测均值 3 6 9 c 【 = 。混 凝土的热物理参数参考相关 文献取值 ： 比热取 0 9 6 k J ( k g X ) ， 导 热 系数取 9 6 3 k J ( I n x h X ) 5 1 。 混凝土的力学性能参数采用现场实测数据 。 箱梁混凝土浇筑时在现场制作立方体和棱柱体试件 并与箱梁混凝 土同条件养护， 测定同养条件下其抗 压强度和弹性模量的发展规律 ， 并假定其抗拉强度 可根据式( 1 ) 由其立方体抗压强度近似确定 。 厂 ( ) = 0 2 1 ( 厂 ( c “ ) ) ( 1 ) 式中厂 ( ) 与厂 ( 。 ， ) 分别为r 龄期混凝土的轴心抗 拉强度和立方体抗压强度。 不同龄期混凝 土的力学性能参数如表 2所示。 表 2 箱梁混凝土的力学参数 T a bl e 2 Mec ha n i c a l p a r a me t e r s o f g i r de r c on c r e t e 注 ： 表 中混凝土轴心抗拉强度 由立方 体抗压 强度根据式 ( 1 ) 换 算得到。 图 1 3和图 1 4分别为 0号块下游腹板和横隔板 水化热计算温差时程曲线 ， 图 1 5为横隔板应力时程 曲线。由各图可知 ： 由图 1 3 、 图 1 4可知 ， 计算温差值和实测温差 值吻合 良好 ， 验证了水化热计算模型的正确 ， 为计算 水化热温度应力提供依据 ； 图 1 3 下游腹 板计算 与实测 温差 时程 曲线 Fi g u r e 1 3 Te mp e r a t u r e d i f f e r e n ce o f d o wn s t r e a m we b 本模 型取温度梯度最 大的横隔板进行应力 分析， 由图 1 5可以看出， 横隔板表面测点与中心测 点在水化热作用下产生的拉应力均未超过材料的抗 拉强度 ， 但最 大温度拉应力达到 2 4 7 MP a ， 处 于较 高的应力水平； 由图 l 5可 以看出 ， 横隔板表面计算点 的应 力有一定的波动 ， 这 主要是因为环境温度较低且有 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 杨建斌 ， 等 ： 江市特大桥箱梁混凝土水化热温度实测与分析 6 9 皇 、 辎 窿 据 3 5 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 0 0 0 5 一 I 0 图 1 4 横 隔板计算 与实测温 差时程曲线 Fi g u r e 1 4 Te mp e r a t u r e d i f f e r e nc e o f di a p hr a g ms 图 l 5横 隔 板 应 力 时 程 曲线 Fi g u r e 1 5 Th e s t r e s s o f d i a ph r a g ms 较大的波动。因此 ， 施工时应注意采取保温措施 ， 以 降低外界温度变化对产生的不利影响 ； 全桥 0号块箱梁底板最厚 ， 在 同一混凝土配 合 比和环境温度下 ， 箱梁不会因为水化热而开裂 ， 但 是冬季施工期的到来 ， 绝对温升较大 ， 更应注重混凝 土水化热的影响， 采取对混凝土表面的保温措施。 3结论及建议 3 1 结 论 底板混凝土在其浇筑后 1 7 h达到最高温度 7 7 ， 最大温升 3 9 c I = ， 温度大于 7 5 c c的持续时间 约 1 2 h ； 下游腹板混凝土在其浇筑后 1 2 h达到最高 温度 7 1 3 ， 最大温升 3 5 ， 温度大于 6 9 的持 续时间约 6 h ； 上游腹板混凝土在其浇筑后 1 6 h达 到最高温 度 6 6 3 ， 最 大温升 3 0 3 ， 温度大于 6 5 的持续时间约 6 h ； 横隔板混凝土在其浇筑后 2 0 h达到最高温度 8 4 ， 最 大温升 4 6 9， 温度 大于 8 3 的持 续 时间约 1 0 h ； 混凝 土在升温和降温过程 中内外温差都较 大 ， 箱梁底板混凝土内外最大温差为 4 0 o C； 下游腹 板混凝土内外最大温差为2 2 o C； 上游腹板混凝土内 外最大温差为 1 8 5 o C； 隔板混凝土内外最大温差为 4 0 o I = 。其 中箱梁底板、 横隔板较厚 ， 其 内外温差超 过了规范限值 2 5 o C； 就测试结果而言 ， 混凝土人模温度较高 ， 混 凝土水化过程比较迅速， 峰值点温度较高 ， 且降温过 程缓慢 ； 桥梁为南北走 向， 混凝 土表面 受 日照 的影 响， 上游腹板外表面测点温度高于内表面测点温度， 达 1 2 5 ， 下游腹板和横隔板内外表面测点温度基 本一 致 ； 结构外表面计算点的应力有一定的波动， 这 主要是因为环境温度较低且有较大的波动。因此 ， 实际施工时应注意采取保温措施 ， 以避免外界温度 对水化热的稳定产生不利影响。 3 2建议 控制混凝土的入模温度。人模温度是影响 混凝土最高温度的一个重要 因素 ， 该梁段施工正值 炎热的夏季， 人模温度相对较高， 宜采取相应降温措 施， 如砂石料采取遮阳、 拌合水用冰块进行冷却等措 施 ， 浇筑 时间宜选晚上至凌晨之间， 可降低水化热温 度峰值 ； 选用水 化热较低 的水 泥，尽量 降低 水泥用 量 ； 采取有效的养护措施。钢模板导热快 ， 木模 导热慢 ， 应结合具体情况选择模板， 夏季施工注意浇 筑后要洒水保湿养护 ； 控制拆模 时间。控制箱梁拆模时间是非常 重要的， 既要考虑施工上拆模需要 ， 又要考虑混凝土 的温差不能太大 ， 其温差应包括表面温度、 内部中心 温度和外界气温之间的温差。 参考文献 1 1 王铁梦 建筑物的裂缝控制 M 上海 ： 上海科学技术 出版 ： ， 1 9 8 7 2 P t 见 曙， 阮静 ， 等 混凝土箱 梁的水化热 温度分析 J 桥梁建 设 2 0 0 0( 4 ) ： 79 3 陈肇 元， 朱金铨 ， 吴 佩刚 高强混 凝土 及其应 用 M 北 京 ： 清 华 大学 出版社 1 9 9 2 4 柳杨 春 混凝土 早期温度场 及应力场 的有限元分析 J 吉林 水利 2 0 0 7 ( 3 ) ： 5 2 5 3 5 朱伯芳 水工混凝 土的温度 与温度控 制 M 北 京 ： 水利 水电 出版社 1 9 7 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m