预应力混凝土T型梁水化热温度测试与分析

马云龙，贾艳敏，严古龙

(东北林业大学 土木工程学院，哈尔滨 150040)

温度应力是一项重要的结构荷载，有时甚至成为导致结构物开裂破坏的关键因素。绝大多数混凝土建筑物都处在温度交替变化的自然环境中，温度应力的影响是无法避免的。混凝土应变计是一种用来监测结构的应力状态的常规观测仪器，在结构、水电和桥梁等重要工程中得到普遍应用。观测数据的合理分析不仅是研究复杂结构工作性态和检验计算结果正确性的重要手段，而且通过监测结构物在施工和运行过程中的应力状态变化，还可使之成为安全预警的重要依据[1]。

国内外工程实践表明，防止温度裂缝的关键在于混凝土温度控制和温度应力控制。混凝土结构浇筑完成后，在其硬化过程中会产生大量的热量，热量在混凝土中不断积累，导致温度升高。由于混凝土导热性比较差，且外界环境温度较低，混凝土外层表面通过对流和其他方式与周围环境进行热量交换。因此混凝土形成随时间变化的内部温度高、外部表层温度低的状态。由此产生的温度梯度可导致硬化过程中混凝土产生温度应力，其大小若超过混凝土抗拉强度，会导致混凝土开裂[2]。T型梁混凝土硬化期间的温度发展具有混凝土水化热温度的一般特点，但由于T梁的水泥标号更高，单方水泥用量更大及掺合料、外加剂等因素的影响，水化热温度分布更加复杂。资料表明[3]，水化热引起的混凝土温度梯度产生的应力足以使T型梁表面产生裂缝，所以有必要深入研究T型梁水化热温度的发展规律。本文结合宝贝河大桥T型梁的水化热试验情况，分析研究混凝土水化热温度发展的一般规律，以期为T梁设计与施工提供有益的参考。

1 工程概述

1.1 工程背景

宝贝河大桥位于呼和浩特市呼杀高速和托连接线上，该桥上部结构共有后张法预应力混凝土T型梁50片，结构体系为先简支后连续。跨径组合为三联3×40 m至4×40 m、3×40 m。桥面总宽度：12.25 m。跨径40 m。斜度为0°。T梁片数为5片。梁间距为2.47 m。预制梁高2.5 m。水泥：采用高品质的强度等级为62.5、52.5、42.5，同一结构采用同一品种的水泥。年平均相对湿度55%。梁体的混凝土设计标号是C50，水泥普遍采用强度等级为52.5的硅酸盐水泥。T梁桥的混凝土配合比为，水泥∶砂∶石子∶水∶外加剂∶粉煤灰为1∶1.58∶2.19∶0.13∶0.01。水泥用量484 kg/m3，外加剂为减水剂。坍落度为140～180 mm。T型梁浇筑时间为4～5 h，视现场环境而定。

1.2 测点布置

在呼杀高速和托连接线2标段梁场建立了试验场，选择该桥第8孔、第9孔、第10孔的3号、4号、5号梁作为三跨连续的试验梁。每片梁选取两个测试截面，一个在距离梁端三米处，另一个在跨中截面，如图1和图2所示。各测点均为埋入式振弦式混凝土应变计，其中第9-4号梁(第9孔4号梁)为AT型(能监测应力和温度)其余为A型(只能监测应力)，部分测点埋置了温度传感器，在梁体混凝土灌注前，绑扎在钢筋笼上，并测试出绑扎的准确位置。在图1、图2中，①、②、③、④为混凝土应变计，(1)、(2)为温度传感器。

图1 纵桥向应变器布置位置

图2 横截面应变计布置位置

2 试验结果与分析

首先在混凝土入模前，测试绑扎到钢筋笼上的应变计读数，并记录初读数。从混凝土入模开始，按一定的时间间隔读取梁体内各个测点的的应变计读数与温度传感器读数，同时用电子温度计测量大气温度。实测数据量很大，本文仅需用到从混凝土入模到水化热结束时的数据[4]。

2.1 实测水化热时程曲线的形式

根据温度传感器的测试结果，可以得到混凝土水化热温度随观测时间变化温度曲线，如图3、图4和图5所示。由图可见T型梁混凝土水化热温度随混凝土龄期发展经历了温度上升阶段和温度下降阶段，上升段曲率明显大于下降段。上升段与下降段分界点为相应测点的温度峰值，各个T型梁的温度峰值随着大气温度和混凝土入模温度不同有所不同，同一截面的不同测点的峰值温度也不相同。

图3 8-4梁水化热时程曲线

图4 9-4梁水化热时程曲线

图5 10-4梁水化热时程曲线

总之，尽管由于施工条件不同而导致不同梁体、不同测点之间的峰值温度不同，但其水化热温度时程曲线的变化规律总体上是一致的，均呈偏正态分布。即混凝土入模后，水化热温度发展经历了较快的温升阶段，达到温度峰值后，进入相对缓慢的温降阶段，最后达到稳定温度场(即结构内部温度与外界温度相平衡)。这些典型特征与一般大体积混凝土水化热温度曲线相类似[5-8]。

2.2 试验梁温升与温降一般形式

水化热温升与水泥用量、入模温度、散热条件、养护条件等因素有关[9-10]。从水化热温度时程曲线看出，同一梁体不同位置水化热温度并非同时到达峰值。变截面T型梁由于端部尺寸较大所以水化热反应时间较长，在混凝土入模后20～30 h到达峰值。跨中截面水花热反应比较剧烈，在砼入模后约10～20 h到达峰值。

由表1可以看出，入模温度越高，温度峰值出现的时间越短，即混凝土放热速率越大，这说明入模温度升高会加速水化热释放速度。梁体不同部位的水化热温升是不同的。环境温度对温度峰值有一定的影响，试验梁施工时间为秋季，环境温度较低，在一定程度上降低了温度峰值。

表1 水化热基本参数

梁体温度达到峰值以后，开始进入温降阶段。从水化热温度时程曲线看出，降温曲线经历了缓慢降温、快速降温和相对稳定3个阶段。由表1可看出各点降温速率梁端截面约为0.31～0.44，跨中截面约为0.22～0.34。梁端截面降温速率大，因为该处混凝土表面积相对较大，散热面积大。在混凝土入模后110～130 h，梁体温度降至环境温度，随后与环境温度共同变化，水化热阶段结束。

2.3 水化热阶段温度应力

施工期的混凝土温度应力是早期拉应力，产生早期拉应力时间一般是自浇筑混凝土开始至水化热放热即将结束，这个阶段有两个特点：一是因水泥水化作用而放出大量水化热，引起温度场的急剧变化；二是混凝土弹性模量随着时间而急剧变化。选取混凝土的弹性模量如公式：E(τ)=E0[1-exp(-0.4τ0.34)](式中：τ为龄期；E0为最终弹模)。埋入式振弦式混凝土应变计测量的是结构的应变值，我们把应变计刚埋入混凝土时的应变值作为初始值，通过后续的测试值与初值的比较，得出应变的变化情况。再根据弹性模量计算公式与胡克定律，把应变值转化为应力值，使结果更加直观。试验梁水化热阶段实测应力如图6、图7和图8所示。

图6 8-4梁水化热阶段温度应力

图7 9-4梁水化热阶段温度应力

图8 10-4梁水化热阶段温度应力

由图可以看出随着水化热温度的升高，混凝土T型梁的应变为压应变，温度升高越多，压应变越大；温度降低，相当于产生拉应变，温度降低越多，拉应变越大。在水化热阶段梁体不受外荷载作用，应变的变化只和温度有关，所以在测量应变时需要一个温度的初值，由水化热时程曲线可知，混凝土初凝时水化热还未引起温度升高，混凝土内部温度变化不大。由此可知混凝土温度变化初值与水化热无关，主要由浇筑混凝土时的入模温度决定。因此，可以用混凝土的入模温度近似地作为温度变化的初值。所以入模温度越高，水化热反应越剧烈，温度应力的变化越大，见表2。

表2 温度应力变化程度与入模温度

3 结 论

(1)在自然养护条件下，T型梁混凝土在入模后10～25 h内到达温度峰值，最大温升约为31℃，水化热温度较高，部分截面可达60℃左右。水化热温降阶段的降温速率约为0.25～0.45℃/h之间，大约在入模后110～130 h梁体温度降至环境温度。

(2)40 m混凝土T型梁由于不用位置的尺寸差异较大，所以不同位置的水化热反应并不同步，跨中处较剧烈，到达水化热温度峰值的时间较短，梁端截面截面尺寸大，到达温度峰值的时间长。但总体的趋势是一致的，呈正态分布。同时T型梁腹板与翼缘连接处水化热温度最高。容易产生裂缝，在设计时应加强构造配筋。

(3)入模温度越高，水化热温度越高。为了防止温度裂缝出现，应尽可能地降低混凝土入模温度，可通过控制浇筑时间(晚上10：00到凌晨5：00之间浇筑)、冷却拌合水、加冰搅拌等方法，建议入模温度不要大于30℃。

【参 考 文 献】

[1] 陈常松，颜东煌.混凝土振弦式应变计测试技术研究[J].中国公路学报，2004，17(1)：30-33.

[2] 朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京：中国电力出版社，1999.

[3] 彭大文，陈朝慰.混凝土T梁的温度-位移测试及计算研究[J].福州大学学报，2007，35(2)：271-275.

[4] 亢景付，随春蛾，张雪涛.基于应变计观测数据的混凝土温度应力解析[J].实验力学，2013，28(1)：122-126.

[5] 冯德飞，卢文良.混凝土箱梁水化热温度试验研究[J].铁道工程学报，2006(8)：63-67.

[6] 王金海.预应力混凝土箱梁水化热裂缝控制与预防[J].公路工程，2012，37(2)：172-175.

[7] 李 强，姜早龙，李慧民.预应力混凝土箱梁锚固端裂缝成因分析及处理[J].公路工程，2013，38(2)：133-136.

[8] 王 刚，彭 献.预应力混凝土系杆拱桥动载试验评定分析[J].公路工程，2013，38(5)：38-43.

[9] 谭敏海，刘正君，孙殿民，等.混凝土微微波促凝技术的试验研究[J].森林工程，2011，27(3)：67-69.

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