馬云龍，賈艷敏，嚴古龍

(東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

溫度應(yīng)力是一項重要的結(jié)構(gòu)荷載，有時甚至成為導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物開裂破壞的關(guān)鍵因素。絕大多數(shù)混凝土建筑物都處在溫度交替變化的自然環(huán)境中，溫度應(yīng)力的影響是無法避免的。混凝土應(yīng)變計是一種用來監(jiān)測結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)的常規(guī)觀測儀器，在結(jié)構(gòu)、水電和橋梁等重要工程中得到普遍應(yīng)用。觀測數(shù)據(jù)的合理分析不僅是研究復(fù)雜結(jié)構(gòu)工作性態(tài)和檢驗計算結(jié)果正確性的重要手段，而且通過監(jiān)測結(jié)構(gòu)物在施工和運行過程中的應(yīng)力狀態(tài)變化，還可使之成為安全預(yù)警的重要依據(jù)[1]。

國內(nèi)外工程實踐表明，防止溫度裂縫的關(guān)鍵在于混凝土溫度控制和溫度應(yīng)力控制?；炷两Y(jié)構(gòu)澆筑完成后，在其硬化過程中會產(chǎn)生大量的熱量，熱量在混凝土中不斷積累，導(dǎo)致溫度升高。由于混凝土導(dǎo)熱性比較差，且外界環(huán)境溫度較低，混凝土外層表面通過對流和其他方式與周圍環(huán)境進行熱量交換。因此混凝土形成隨時間變化的內(nèi)部溫度高、外部表層溫度低的狀態(tài)。由此產(chǎn)生的溫度梯度可導(dǎo)致硬化過程中混凝土產(chǎn)生溫度應(yīng)力，其大小若超過混凝土抗拉強度，會導(dǎo)致混凝土開裂[2]。T型梁混凝土硬化期間的溫度發(fā)展具有混凝土水化熱溫度的一般特點，但由于T梁的水泥標(biāo)號更高，單方水泥用量更大及摻合料、外加劑等因素的影響，水化熱溫度分布更加復(fù)雜。資料表明[3]，水化熱引起的混凝土溫度梯度產(chǎn)生的應(yīng)力足以使T型梁表面產(chǎn)生裂縫，所以有必要深入研究T型梁水化熱溫度的發(fā)展規(guī)律。本文結(jié)合寶貝河大橋T型梁的水化熱試驗情況，分析研究混凝土水化熱溫度發(fā)展的一般規(guī)律，以期為T梁設(shè)計與施工提供有益的參考。

1 工程概述

1.1 工程背景

寶貝河大橋位于呼和浩特市呼殺高速和托連接線上，該橋上部結(jié)構(gòu)共有后張法預(yù)應(yīng)力混凝土T型梁50片，結(jié)構(gòu)體系為先簡支后連續(xù)?？鐝浇M合為三聯(lián)3×40 m至4×40 m、3×40 m。橋面總寬度：12.25 m?？鐝?0 m。斜度為0°。T梁片數(shù)為5片。梁間距為2.47 m。預(yù)制梁高2.5 m。水泥：采用高品質(zhì)的強度等級為62.5、52.5、42.5，同一結(jié)構(gòu)采用同一品種的水泥。年平均相對濕度55%。梁體的混凝土設(shè)計標(biāo)號是C50，水泥普遍采用強度等級為52.5的硅酸鹽水泥。T梁橋的混凝土配合比為，水泥∶砂∶石子∶水∶外加劑∶粉煤灰為1∶1.58∶2.19∶0.13∶0.01。水泥用量484 kg/m3，外加劑為減水劑。坍落度為140～180 mm。T型梁澆筑時間為4～5 h，視現(xiàn)場環(huán)境而定。

1.2 測點布置

在呼殺高速和托連接線2標(biāo)段梁場建立了試驗場，選擇該橋第8孔、第9孔、第10孔的3號、4號、5號梁作為三跨連續(xù)的試驗梁。每片梁選取兩個測試截面，一個在距離梁端三米處，另一個在跨中截面，如圖1和圖2所示。各測點均為埋入式振弦式混凝土應(yīng)變計，其中第9-4號梁(第9孔4號梁)為AT型(能監(jiān)測應(yīng)力和溫度)其余為A型(只能監(jiān)測應(yīng)力)，部分測點埋置了溫度傳感器，在梁體混凝土灌注前，綁扎在鋼筋籠上，并測試出綁扎的準(zhǔn)確位置。在圖1、圖2中，①、②、③、④為混凝土應(yīng)變計，(1)、(2)為溫度傳感器。

圖1 縱橋向應(yīng)變器布置位置

圖2 橫截面應(yīng)變計布置位置

2 試驗結(jié)果與分析

首先在混凝土入模前，測試綁扎到鋼筋籠上的應(yīng)變計讀數(shù)，并記錄初讀數(shù)。從混凝土入模開始，按一定的時間間隔讀取梁體內(nèi)各個測點的的應(yīng)變計讀數(shù)與溫度傳感器讀數(shù)，同時用電子溫度計測量大氣溫度。實測數(shù)據(jù)量很大，本文僅需用到從混凝土入模到水化熱結(jié)束時的數(shù)據(jù)[4]。

2.1 實測水化熱時程曲線的形式

根據(jù)溫度傳感器的測試結(jié)果，可以得到混凝土水化熱溫度隨觀測時間變化溫度曲線，如圖3、圖4和圖5所示。由圖可見T型梁混凝土水化熱溫度隨混凝土齡期發(fā)展經(jīng)歷了溫度上升階段和溫度下降階段，上升段曲率明顯大于下降段。上升段與下降段分界點為相應(yīng)測點的溫度峰值，各個T型梁的溫度峰值隨著大氣溫度和混凝土入模溫度不同有所不同，同一截面的不同測點的峰值溫度也不相同。

圖3 8-4梁水化熱時程曲線

圖4 9-4梁水化熱時程曲線

圖5 10-4梁水化熱時程曲線

總之，盡管由于施工條件不同而導(dǎo)致不同梁體、不同測點之間的峰值溫度不同，但其水化熱溫度時程曲線的變化規(guī)律總體上是一致的，均呈偏正態(tài)分布。即混凝土入模后，水化熱溫度發(fā)展經(jīng)歷了較快的溫升階段，達到溫度峰值后，進入相對緩慢的溫降階段，最后達到穩(wěn)定溫度場(即結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度與外界溫度相平衡)。這些典型特征與一般大體積混凝土水化熱溫度曲線相類似[5-8]。

2.2 試驗梁溫升與溫降一般形式

水化熱溫升與水泥用量、入模溫度、散熱條件、養(yǎng)護條件等因素有關(guān)[9-10]。從水化熱溫度時程曲線看出，同一梁體不同位置水化熱溫度并非同時到達峰值。變截面T型梁由于端部尺寸較大所以水化熱反應(yīng)時間較長，在混凝土入模后20～30 h到達峰值。跨中截面水花熱反應(yīng)比較劇烈，在砼入模后約10～20 h到達峰值。

由表1可以看出，入模溫度越高，溫度峰值出現(xiàn)的時間越短，即混凝土放熱速率越大，這說明入模溫度升高會加速水化熱釋放速度。梁體不同部位的水化熱溫升是不同的。環(huán)境溫度對溫度峰值有一定的影響，試驗梁施工時間為秋季，環(huán)境溫度較低，在一定程度上降低了溫度峰值。

表1 水化熱基本參數(shù)

梁體溫度達到峰值以后，開始進入溫降階段。從水化熱溫度時程曲線看出，降溫曲線經(jīng)歷了緩慢降溫、快速降溫和相對穩(wěn)定3個階段。由表1可看出各點降溫速率梁端截面約為0.31～0.44，跨中截面約為0.22～0.34。梁端截面降溫速率大，因為該處混凝土表面積相對較大，散熱面積大。在混凝土入模后110～130 h，梁體溫度降至環(huán)境溫度，隨后與環(huán)境溫度共同變化，水化熱階段結(jié)束。

2.3 水化熱階段溫度應(yīng)力

施工期的混凝土溫度應(yīng)力是早期拉應(yīng)力，產(chǎn)生早期拉應(yīng)力時間一般是自澆筑混凝土開始至水化熱放熱即將結(jié)束，這個階段有兩個特點：一是因水泥水化作用而放出大量水化熱，引起溫度場的急劇變化；二是混凝土彈性模量隨著時間而急劇變化。選取混凝土的彈性模量如公式：E(τ)=E0[1-exp(-0.4τ0.34)](式中：τ為齡期；E0為最終彈模)。埋入式振弦式混凝土應(yīng)變計測量的是結(jié)構(gòu)的應(yīng)變值，我們把應(yīng)變計剛埋入混凝土?xí)r的應(yīng)變值作為初始值，通過后續(xù)的測試值與初值的比較，得出應(yīng)變的變化情況。再根據(jù)彈性模量計算公式與胡克定律，把應(yīng)變值轉(zhuǎn)化為應(yīng)力值，使結(jié)果更加直觀。試驗梁水化熱階段實測應(yīng)力如圖6、圖7和圖8所示。

圖6 8-4梁水化熱階段溫度應(yīng)力

圖7 9-4梁水化熱階段溫度應(yīng)力

圖8 10-4梁水化熱階段溫度應(yīng)力

由圖可以看出隨著水化熱溫度的升高，混凝土T型梁的應(yīng)變?yōu)閴簯?yīng)變，溫度升高越多，壓應(yīng)變越大；溫度降低，相當(dāng)于產(chǎn)生拉應(yīng)變，溫度降低越多，拉應(yīng)變越大。在水化熱階段梁體不受外荷載作用，應(yīng)變的變化只和溫度有關(guān)，所以在測量應(yīng)變時需要一個溫度的初值，由水化熱時程曲線可知，混凝土初凝時水化熱還未引起溫度升高，混凝土內(nèi)部溫度變化不大。由此可知混凝土溫度變化初值與水化熱無關(guān)，主要由澆筑混凝土?xí)r的入模溫度決定。因此，可以用混凝土的入模溫度近似地作為溫度變化的初值。所以入模溫度越高，水化熱反應(yīng)越劇烈，溫度應(yīng)力的變化越大，見表2。

表2 溫度應(yīng)力變化程度與入模溫度

3 結(jié) 論

(1)在自然養(yǎng)護條件下，T型梁混凝土在入模后10～25 h內(nèi)到達溫度峰值，最大溫升約為31℃，水化熱溫度較高，部分截面可達60℃左右。水化熱溫降階段的降溫速率約為0.25～0.45℃/h之間，大約在入模后110～130 h梁體溫度降至環(huán)境溫度。

(2)40 m混凝土T型梁由于不用位置的尺寸差異較大，所以不同位置的水化熱反應(yīng)并不同步，跨中處較劇烈，到達水化熱溫度峰值的時間較短，梁端截面截面尺寸大，到達溫度峰值的時間長。但總體的趨勢是一致的，呈正態(tài)分布。同時T型梁腹板與翼緣連接處水化熱溫度最高。容易產(chǎn)生裂縫，在設(shè)計時應(yīng)加強構(gòu)造配筋。

(3)入模溫度越高，水化熱溫度越高。為了防止溫度裂縫出現(xiàn)，應(yīng)盡可能地降低混凝土入模溫度，可通過控制澆筑時間(晚上10：00到凌晨5：00之間澆筑)、冷卻拌合水、加冰攪拌等方法，建議入模溫度不要大于30℃。

【參 考 文 獻】

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