刚构体系箱梁桥合拢施工阶段水化温度效应分析

庄燕珍

(三明市交通建设集团有限公司，三明 365000)

0 引言

混凝土结构的水化温度效应可能导致结构产生早期裂缝，影响结构的使用性能和耐久性能[1]，因此对水化温度应力进行分析并开展相应控制具有重要意义。

大跨径混凝土箱梁由于底板或者腹板尺寸较厚，同样会产生较高的水化温升，箱梁也有较高的开裂可能性。目前针对箱梁0# 块的研究较多， 通过采取温度测试，并进行应力分析， 得出水化温度是早期开裂的主要原因之一，并给出控制内外温差、优化混凝土配合比等相关建议[2-5]。普通箱梁节段尺寸虽然偏小，但在水化热量水平较高的情况下，也可能产生较大的温度应力，箱梁可能出现顶板、腹板或者底板的贯穿裂缝[6-9]，箱梁早期温度裂缝问题逐渐得到广泛关注。

刚构体系箱梁桥合拢段也可能产生较高的水化温升效应，由于墩梁固结，升温及降温变形受到纵桥向及横桥向两个方向的约束效应， 可能造成早期开裂现象。本文以某V 型刚构桥为背景工程， 采用温度试验结合有限元分析方法， 对合拢段的水化温度应力开展研究，探明影响规律， 并进行应力控制措施的参数化分析，为裂缝控制提供参考借鉴。

1 工程背景

某连续Y 型刚构桥全长330.12m，位于半径550m 圆曲线上，跨径布置为90.33m+150m+89.79m，上部结构采用单箱单室斜腹板箱梁截面，腹板斜率保持不变。中跨跨中梁高为2.5m，梁高沿纵向按2.5 次抛物线变化，在中墩主梁与Y 构交接处梁高为5.79m。 中墩顶梁段梁高为2.325m，详见图1。

图1 刚构桥总体布置图(单位：m)

箱梁主要尺寸： 顶板厚0.3m； 边跨与中跨底板厚0.47～1.21m，墩顶区域底板厚0.3～0.43m；边跨与中跨腹板厚0.45m，在靠近墩顶位置渐变为0.75m；墩顶腹板厚0.75m；翼缘板长2.06m，厚0.4～0.6m。 典型断面见图2。

图2 刚构桥断面型式(单位：m)

合拢段浇筑，混凝土为C60 商品混凝土，单方采用P.Ⅱ52.5 级别水泥462kg、砂634kg、碎石1080kg、粉煤灰32kg、矿渣粉42kg、减水剂12.6kg、水137kg。 浇筑时即开展温度测试，测点分别位于合拢段正中断面腹板中心、顶板顶面以及内腔横隔板表面，测试始于浇筑，时长约为7天。

2 计算理论

2.1 水化温度及应力计算原理

温度计算采用瞬态热传导基本方程[10]，描述如下：

式中：T 为瞬时温度；t 为时间；λ 为导热系数；ρ 为密度；c 为比热容；Q 为生热函数；Tabs为绝热温升；m 为水化速率参数。

早龄期混凝土材料特性具有时变特征， 表现为弹性模量、抗拉强度随时间增长以及徐变效应。 文献[10]提供的弹性模量以及抗拉强度计算公式具有较好的拟合精度，应用范围较广：

式中，E(t)、ftk(t)为等效龄期t 时刻的弹性模量与抗拉强度，Ec、 ftk分别为标准养护28 天弹性模量与抗拉强度，βcc为材料特性随龄期发展速率参数；te为等效龄期，n 为时间区段的划分数量，Ti为第i 区段的温度，Δti为区段时长。

早龄期徐变效应显著，本文选用文献[1]提供的计算公式进行计算：

式中，C(t，τ)为τ 时刻加载至t 时刻的徐变度，其中C1=0.23/Ec，C1=0.52/Ec。

由于材料时变以及徐变效应复杂， 应力计算采用增量法予以实现，该方法不需要记录应力历史，在有限元软件中易于实现[1]。

2.2 有限元模型及参数选取

采用大型通用有限元软件ANSYS 建立连续两节悬臂段与合拢段的1/4 模型，忽略平曲线，模型纵桥向长度为9m，在悬臂段端部施加弹性支承，在对称面施加对称约束。 弹性支承刚度按照杆系模型中的水平抗推刚度计入，模型如图3 所示。

图3 有限元模型图

温度计算与应力计算采用相同网格模型， 温度计算采用试算方法，通过调整参数取值，使计算值逐渐趋近于实测值。 识别的绝热温升为67.4℃、 水化热释放系数为2.5， 导热系数为2.33W/(m2·℃)， 表面对流系数为14W/(m2·℃)、内腔对流系数为8W/(m2·℃)。

3 水化温度效应分析

以温度试验结果为基础， 开展温度拟合以及应力场计算工作，明确温度与温度应力规律。

3.1 温度分析

温度测试结果表明，箱梁具有较高的水化温升效应，最高温度达到77.4℃，相较于平均入模温度28℃，整体升高了约49.4℃。 且水化反应具有较高的速率，浇筑后约1日即达到温峰，拟合得到的水化热释放系数为2.5，也是远高于相关文献的研究结论的[11-12]。 浇筑后第7 日，内部与表面温度基本上下降至环境温度。 拟合结果表明，推定参数组对于温度拟合具有较好的精度， 可以较好地模拟内部温度、表面温度以及内腔温度。 温度计算值与实测值对比如图4 所示。

从温度场的分布来看，合拢段具有整体温度偏高、分布不均匀的情况。 腹板位置温度最高，温度介于73～78℃之间，横隔板次之，温度介于68～73℃之间，外部与大气接触区域温度略低，温度介于43～48℃之间，内表温差达到30℃，如图5 所示。

图4 合拢段温度计算值与实测值对比

3.2 应力分析

在较高温升及不均匀温度场的作用下， 极有可能产生较高的受拉应力，对合拢段的应力场进行分析，挑选第4 日、第7 日应力场汇总示于图6。

横向应力分析表明，横隔板第4 日处于受压状态，压应力约为0.8～2MPa，后逐渐转变为拉应力，在第7 日降温后，人孔顶部横隔板全断面拉应力达到2.2～2.5MPa，具有一定的开裂风险。

纵向应力分析表明， 箱梁断面在第4 日处于受压状态，压应力约为0.2～1.4MPa，后逐渐转变为拉应力，腹板与底板拉应力达到1.6～3.3MPa。

图5 合拢段温峰时刻温度场分布

图6 合拢段应力场分布

横向应力与纵向应力分布符合一般水化温度应力的发展趋势，合拢段升温和降温过程中，横向上受已经浇筑节段的约束，纵向上受刚构体系的约束，产生约束应力效应。 前期升温，主要表现为压应力，后期降温，主要表现为拉应力，由于弹性模量逐渐增大，后期产生的拉应力超过前期产生的压应力，故最终应力表现为受拉应力。

此外，箱室内部存在一定的不均匀温度场，底板上缘出现了较高的纵向应力，达到3.6MPa，由于合拢束张拉于第4 日，产生的预压应力达到10.2MPa，可能抵消了该纵向受拉效应，故现场并未发现裂缝产生。

4 参数影响分析

探讨绝热温升、 外表对流系数以及入模温度措施对绝热温升以及应力产生的影响， 为工艺措施制定提供参考。

4.1 对绝热温升的影响

背景工程绝热温升为67.4℃， 外表对流系数为14W/(m2·℃)，入模温度为28℃，通过增加或减小参数取值，讨论其对绝热温升产生的影响，计算结果如图7 所示。

计算表明：(1)绝热温升下降或者上升10℃，最高温度下降或上升约7.3～7.4℃；(2)外表对流系数下降以及上升，对最高温度的影响不大，在0.6～1.7℃之间；(3)入模温度下降或者上升5℃，最高温度下降或上升约3.9～4.0℃。

4.2 对横向应力的影响

横向应力提取点为人孔上方横隔板， 绘制不同参数对应的最大横向应力沿时间发展曲线，如图8 所示。

图7 不同参数情况下绝热温升计算值的对比

图8 不同参数情况下横向应力计算值的对比

从应力分布可以看出，绝热温升越小，前期的受压应力以及后期的受拉应力也就越小， 绝热温升下降或者上升10℃，最大横向拉应力下降或提高0.5MPa，基本上呈线性关系。

在对流较小时，前期压应力也相对较小，对流系数对最终应力影响不大， 这可能是对流系数对内部温度本身影响较小的缘故。

入模温度对前期的压应力影响较小， 后期随着降温幅度的增大，受拉应力表现出不同的分布趋势，入模温度越小，最大拉应力水平越低，入模温度下降或者上升5℃，最大横向拉应力下降或提高0.5MPa，基本上呈线性关系。

4.3 对纵向应力的影响

纵向应力提取点为底板上方最大应力点， 绘制不同参数对应的最大纵向应力沿时间发展曲线，如图9 所示。

图9 不同参数情况下纵向应力计算值的对比

不同参数对纵向应力产生的影响与对横向应力产生的影响相同，表现在：绝热温升下降或者上升10℃，最大横向拉应力下降或提高0.4MPa； 对流对最终应力影响不大；入模温度下降或者上升5℃，最大横向拉应力下降或提高0.4MPa。

5 结语

通过对某刚构桥梁合拢段开展温度测试， 结合有限元分析方法，对温度及温度应力开展研究，结果表明：

(1)合拢段内部最高温度可达到77.4℃，具有较高的温升效应，且温度上升速率较快，在1 天内即可到达最高温度；

(2)合拢段横向受已浇筑节段约束，纵向受刚构体系约束，在水化温度影响下，横隔板内部可能产生较大的横向受拉应力，底板可能产生较大的纵向受拉应力；

(3)增加或者减小绝热温升、提高或者降低入模温度，对内部最高温度影响显著，改变表面对流系数，对内部最高温影响较小；

(4)减小绝热温升、降低入模温度可以有效改善横向受拉应力和纵向受拉应力， 改变表面对流系数对受拉应力的改善作用较小。

综上所述， 刚构体系箱梁桥合拢段具有较高的水化温升，可能导致早期开裂现象，可通过减小绝热温升、降低入模温度减小受拉应力。 本文结论可以为质量控制提供参考借鉴。