长悬臂混凝土盖梁水化热监测与分析

蒋勇

（杭州地方铁路开发有限公司,浙江 杭州 310009）

0 引言

为适应不断增大的交通流量需求，道路桥梁的宽度有不断加大的趋势，尤其在城市高架桥梁中，往往利用地面道路分隔带区域设置桥墩以充分利用道路空间，形成长悬臂甚至超长盖梁这种特殊的结构形式，其悬臂长度往往远远大于桥墩墩柱间距[1-3]。

长悬臂盖梁由于悬臂长度大，一般采用预应力混凝土结构；盖梁宽且高，尤其在墩柱位置截面积大，属于截面尺寸较大的实心结构，混凝土浇筑方量大且常为一次性浇筑完成。所以长悬臂盖梁的混凝土等级较高、水泥用量大、施工和养护条件复杂，容易因水化热造成混凝土内外温差过大而导致盖梁结构产生温致裂缝[4-6]。

本文介绍了浙江省某上跨高速铁路立交桥的城市高架桥梁的两个超长悬臂盖梁的混凝土水化热分析，以及早龄期力学性能现场同步监测结果，采用有限元方法建立时变模型对混凝土水化热进行模拟分析，研究水化热温度场和应力场的发展规律，为类似工程施工养护提供参考。

1 工程概况

浙江省某上跨高速铁路立交桥的高架桥梁，其高架桥桥墩均设置于地面道路中央分隔带内（高速铁路跨越地面道路），桥梁一跨跨越铁路线，主跨为跨径45 m斜交80°的简支装配式小箱梁结构，邻跨为一端斜交一端正交、中线跨径28.3 m的简支装配式小箱梁结构，桥梁立面与平面图如图1和图2所示。其中10号、11号桥墩盖梁为主跨与邻跨的交接墩。桥墩两墩柱中心距离8.2 m，净距5.7 m，盖梁总长达37.469 m，且悬臂净长达到13.385 m，盖梁宽2.8 m，最高达4.069 m，盖梁立面图如图3所示。

图1 桥梁立面图（单位：mm）

图2 桥梁平面图（单位：m）

该桥10号和11号盖梁悬臂长，截面尺寸大，混凝土浇筑方量大，且桥墩位于高铁线路两侧，桥梁耐久性要求高。因其大体积混凝土浇筑特点以及结构重要性，为避免因水化热造成混凝土内外温差过大而导致盖梁结构产生温致裂缝，对这两个大悬臂盖梁混凝土浇筑过程开展了水化热分析和监测。

图3 盖梁立面图（单位：m）

2 盖梁水化热温度及应力监测

2.1 盖梁水化热温度监测传感器布置

为了对10号、11号大悬臂盖梁混凝土浇筑及养护过程进行实时温度和应力监测，布置了一系列温度传感器和应变传感器，因两墩柱间盖梁截面高度高，温度传感器和应变传感器主要布置于该区段，具体布置位置如下。

盖梁中面（距离侧面1.4 m的竖直立面）上共计布置31个温度传感器，具体布置如图4所示。

图4 盖梁内部（中面）温度测点布置（单位：mm）

盖梁两外侧面布置能自带测温功能的应变传感器，兼顾应变测试和温度测试，布置于盖梁侧面钢筋骨架上每个盖梁共计44个测点，具体布置如图5所示。

图5 盖梁侧面温度和应变测点布置（单位：mm）

另布置测量大气温度的传感器TDQ。

采用的温度和应变监测的设备具体见表1。

表1 温度监控设备

2.2 盖梁温度监测结果

盖梁温度和应变监测采用实时自动采集。首先分析盖梁浇筑后内部温度随龄期变化情况，图6和图7为两盖梁中面中部纵向分布各测点（测点T1-2、T2-3、T3-3、T4-3、T5-3、T6-3、T7-2）， 各 测点的温度随混凝土龄期变化，图8和图9为两盖梁中面竖向分布各测点的温度随混凝土龄期的变化。

图6 10号盖梁中部横向测点温度变化曲线

图7 11号盖梁中部横向测点温度变化曲线

由图6和图7可见，盖梁中面中部各个测点的温度变化趋势基本一致，其中浇筑后48 h内温度变化剧烈，48～96 h内温度变化趋缓，浇筑后60 h测点达到峰值温度，96 h后温度呈下降趋势。这与混凝土水化热反应理论基本吻合，说明该实测数据具有可靠性。

图8 10号盖梁中部竖向测点温度变化曲线

图9 11号盖梁中部竖向测点温度变化曲线

图8和图9主要描述了盖梁中面竖向测点温度变化。由图可见，盖梁中面中部测点的峰值温度远大于其顶面和底面测点的峰值温度；两者的温度变化趋势基本一致。说明盖梁内部混凝土水化热产生的热量散发慢，而外表面则散热快。

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下面再考察盖梁内外温差的分布情况，图10和图11为两盖梁中面和侧面相应对点之间温差随龄期的变化。

图 10和图 11列出了 T4-1、T4-3以及 T4-5与外表面的温差曲线。图中“上部”曲线为中面温度测点T4-1与侧面测点S4-1之间的温差，“中部-S”曲线为中面温度测点T4-3与侧面测点S4-3之间的温差，“中部-N”曲线为中面温度测点T4-3与侧面测点N4-3之间的温差，“下部”曲线为中面温度测点T4-5与侧面测点S4-5之间的温差。

由图可见，盖梁中部测点（T4-3）对应的内外温差明显高于上部测点（T4-1）以及下部测点（T4-5），温差曲线变化趋势一致，呈现浇筑后48 h内测点温差增幅较大，48～96 h温差相对较大，而后期相应测点的温差逐步下降，所以混凝土浇筑后48～96 h需要重点关注混凝土的温差应力。

图10 10号盖梁内部与外部测点变化曲线

图11 11号盖梁内部与外部测点温差曲线

2.3 盖梁应力监测结果

根据温度监测情况，选取沿盖梁截面高度方向的顶面、中部、底面三个外侧应力测点的监测结果进行分析。

图12和图13描述了10号、11号盖梁相应测点的应力变化曲线。从发展趋势看，在浇筑后的1～2 d内，盖梁的内部与外部温差较大，产生拉应力，其值迅速上升，达到峰值后，应力值逐步下降，受力状态由受拉转向受压。由图可见最大拉应力在1.5～2.0 MPa，盖梁上未发现裂缝产生。图中计算应力按C45混凝土允许拉应力随龄期变化计算得到[7]。由于实际施工中盖梁混凝土添加了早强剂，早龄期时实际允许应力发展应该大于图中应力结果，并且图中应力计算所用弹性模量为混凝土28 d弹性模量，其数值偏大，这也是实际盖梁未出现裂缝的原因所在。

图12 10号盖梁应力变化曲线

图13 11号盖梁应力变化曲线

3 长悬臂盖梁水化热有限元分析

3.1 模型建立

基于Midas FEA软件，以三维实体单元建立盖梁的仿真分析模型，进行水化热分析。模型中，盖梁底面采用固结位移边界；参考模板设计刚度，将模板的作用简化成节点弹性支撑约束。盖梁与大气环境接触面的对流边界采用第三类边界模拟，对流系数与环境风速相关，采用下式计算[8-10]：

式中：hc为对流系数；v为环境风速，考虑模板的防风作用，故拆模前取1.0 m/s，在拆模后根据实际风速计算对流系数，侧模拆除按混凝土浇筑后1 d模拟。

混凝土的材料力学性能和施工参数均根据现场实测结果取值，热物理系数根据经验取值。表2和表3列出了盖梁混凝土配合比以及参数选值。

混凝土绝热温升只考虑龄期的影响，变化规律参照式（2），其中混凝土最终绝热温升根据水泥水化估算，按式（3）计算[11-12]。

表2 盖梁混凝土配合比 kg/m3

表3 混凝土的参数取值

式中：θ（τ）为龄期为τ时混凝土绝热温升；m为浇筑强度修正系数，本文根据水泥种类以及浇筑温度取m=0.4；Q为水泥水化热总量，本文根据水泥种类取Q=380 kJ/kg；W为每立方米混凝土胶凝材料用量；k为折减系数，根据粉煤灰掺量取k=0.95；c为混凝土比热；ρ为混凝土密度。将各参数代入上式，其中混凝土最终绝热温升计算得75℃/kg。

考虑到盖梁的浇筑方式以及浇筑时间，建模时分8层浇筑，每一层浇筑时间控制在1 h左右，共8 h完成浇筑。模型如图14所示。

图14 盖梁分析模型

3.2 结果分析

3.2.1 温度变化曲线对比

将盖梁的有限元分析与实测结果对比（以T5-3为例），如图15所示。

从图15可以发现对于同一测点，实测温度变化曲线与有限元模拟结果两者的变化趋势基本是一致的。浇筑后48 h内为上升段，48～72 h为平稳段，峰值温度两者较为接近，72 h后为下降段，下降幅度较缓。

图16为盖梁高度上的中间层的温度场分布，可见盖梁内部温度较高，且分布比较均匀，盖梁外部温度逐步降低，有一定的温度梯度。

3.2.2 应力变化曲线对比

由图17可得，对于盖梁同一个测点的应力变化曲线，有限元分析结果与实测结果较为吻合。

图15 有限元分析与实测的温度变化曲线对比

图16 盖梁中间层温度场分布图

图17 有限元分析与实测的应力变化曲线对比

3.3 最终绝热温升参数的分析

绝热温升是计算水化热的重要参数，其取值与混凝土配合比密切相关。

为了对比不同绝热温升取值的影响，图18列出了最终绝热温升分别为70、75、80℃/kg时盖梁中部测点的温度变化曲线。由图可见，盖梁的峰值温度随着最终绝对温升取值的增大而提高，而温度变化曲线的走势一致。由此可见，优化盖梁的混凝土配合比有利于降低峰值温度，降低盖梁内外温差，减小混凝土的拉应力，从而有效防止长悬臂盖梁早期裂缝的产生。

4 结语

长悬臂盖梁是一种截面高度和厚度均较大的具有相当混凝土体积的实体结构，混凝土浇筑过程中的水化热控制是施工中必须关心的问题。本文根据某具有典型意义的截面高度达4 m、厚度达2.8 m的超长悬臂盖梁混凝土浇筑时水化热监测和有限元模拟分析，得到如下结论，供类似工程施工参考：

图18 不同绝热温升盖梁温度变化曲线

（1）长悬臂盖梁在施工期间可能会产生较高的水化热，并在混凝土内部和表面之间形成一定的温度梯度，无论是混凝土内部温度还是拉应力，均出现在混凝土浇筑初期，尤其是混凝土龄期在1～4 d，应该引起重视。

（2）本文建立的盖梁混凝土水化热有限元模型得到的分析结果与实测结果具有较好的一致性。

（3）本项目盖梁混凝土配合比中掺入了适量的粉煤灰替代水泥用量，降低了混凝土最终绝热温升，因而有效控制了水化热，虽然盖梁浇筑过程中因温差产生了拉应力，但尚不至于使得混凝土产生裂缝，所以建议类似盖梁施工时应考虑采取适当措施控制水化热，避免出现裂缝，如优化混凝土配合比、控制水泥用量、掺入适量粉煤灰等，以降低高强混凝土的水化热。

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