非对称预应力混凝土箱梁水化热温度及应变监测与分析

王福兴

中铁十九局集团有限公司，辽宁辽阳111000

因具有抗扭刚度大、承载能力高等诸多优点，预应力混凝土连续箱梁近年来在公路和铁路桥梁中得到广泛应用［1-2］。连续现浇箱梁由于混凝土强度高、单方水泥用量大，特别是在模板约束作用下常因水化热问题出现早期开裂现象，影响到连续箱梁的耐久性和受力性能［3-4］。

为解决连续现浇箱梁的早期开裂问题，学者们针对混凝土连续箱梁早期水化热以及裂缝控制措施进行了相关研究［5-6］。目前连续现浇箱梁大多采用二次浇筑的施工工艺，但由于新旧混凝土之间的收缩差异以及二次浇筑顶板混凝土的水化热温度效应，顶腹板交界处仍然存在混凝土开裂问题。

本文对余姚—慈溪高速公路一联四跨非对称预应力混凝土连续箱梁水化热温度场和早期应变进行连续监测，分析二次浇筑过程中顶板和腹板温度分布规律，探讨预应力分阶段张拉抑制连续箱梁早期裂缝的可行性，为类似工程提供参考。

1 预应力混凝土连续箱梁概况

在本次监测的试验段预应力混凝土连续箱梁跨径布置为4×27 m，横截面为单箱五室非对称结构，箱梁混凝土强度等级为C50。采用满堂支架二次浇筑法施工。首次浇筑箱梁的底板和腹板，浇筑完成10 d后二次浇筑箱梁的顶板和翼缘板。由于该箱梁跨度较大，顶板宽度也较大，为防止顶板出现早期裂缝，对预应力钢绞线分阶段张拉。顶板和翼缘板浇筑3 d后对N3和N1预应力钢束依次进行初张拉，张拉控制应力为700 MPa；顶板和翼缘板浇筑7 d后对N3、N2、N4和N1预应力钢束依次进行终张拉，张拉控制应力为1 395 MPa。

2 试验测点布置

根据余慈高速公路已浇筑完成的非对称预应力混凝土连续现浇箱梁裂缝分布，在监测试验段自小里程方向（余姚侧）至大里程（慈溪侧）方向布置了6个测试截面，如图1所示，编号J1—J6。中跨选取L/4和3L/4（L为跨度）两个测试截面，边跨选取靠近中跨的L/4截面，监测混凝土水化热温度和早期应变的变化情况。

图1 箱梁纵向测试截面

测试截面温度和应变测点布置如图2所示。每个截面设置12个测点。其中，测点1—测点4用于监测箱梁腹板顶部的温度和应变，测点6、测点9、测点11用于监测顶板中心处的温度和应变，其余测点监测顶腹板交界处的温度和应变。自浇筑后每隔2 h测试1次温度和应变，共监测13 d。

图2 箱梁跨中横截面及测点布置（单位：cm）

3 监测结果分析

3.1 混凝土水化热温度场

由于测点较多，为便于分析将非对称预应力混凝土连续箱梁各测试截面中12个测点分成腹板顶部、顶腹板交界处、箱室顶板中心三个区域。将同一区域的温度值取平均，作为测试截面该区域混凝土水化热温度代表值，并分别计算顶腹板交界处与腹板顶部、箱室顶板中心的温差。混凝土终凝时间在8～10 h。箱梁各测试截面水化热温度随龄期变化曲线见图3。

图3 箱梁各测试截面水化热温度随龄期变化曲线

由图3可以看出：①顶腹板交界处混凝土升温较快，与同一截面其他位置相比，该处温度峰值最高。主要是因为顶腹板交界处混凝土浇筑量较大，水化热反应更显著，四周散热条件较差，混凝土降温较慢。6个截面顶腹板交界温度峰值均超过50℃。②腹板顶部的温度变化主要由顶板混凝土的水化热引起，且四周散热条件较差，故其升温和降温均较慢。6个截面腹板顶部温度峰值约40～42℃。③与顶腹板交界处相比，箱室顶板中心因混凝土浇筑量小，且表面散热较快，故其呈现出快速升温和降温的变化规律。6个截面顶板中心处温度峰值在40～45℃。④在顶腹板交界处水化热温度曲线上升阶段（0～22 h），三个测试区域中顶腹板交界处升温最快，腹板顶部升温最慢。顶腹板交界处与腹板顶部最大温差平均约16℃。⑤在顶腹板交界处水化热温度曲线下降阶段（22～300 h），各截面顶腹板交界处与箱室顶板中心的温差达到最大值。这是由于顶腹板交界处升温快而降温慢，箱室顶板中心升温和降温均较快。该最大温差出现时二次浇筑混凝土已终凝约20 h。6个截面最大温差平均约15℃。在首次浇筑的腹板混凝土和模板的约束下，由该温差产生的温度应力有可能造成二次浇筑混凝土早期开裂。

3.2 混凝土早期应变

将各截面三个测试区域监测结果分别取平均，作为该区域混凝土早期应变代表值。

箱梁各测试截面混凝土应变监测结果见图4。龄期72 h时进行预应力钢束初张拉。龄期168 h时进行终张拉。

图4 箱梁各测试截面混凝土早期应变随龄期变化曲线

由图4可以看出：①预应力钢束初张拉前，各截面腹板顶部基本处于受压状态，混凝土应变随龄期增长先减小后增大。顶腹板交界处应变呈缓慢增长趋势，箱室顶板中心应变变化不大。②自预应力钢束开始初张拉至终张拉前，受预应力钢束初张拉影响，各截面腹板顶部和顶腹板交界处混凝土应变随龄期增长均呈现出先减小而后略微波动的变化规律。虽然顶腹板交界处仍基本处于受拉状态，但初张拉使得早期应变值有所减小，降低了开裂风险。③预应力钢束终张拉开始至完成后（168～300 h），各截面三个测试区域混凝土应变均先明显减小而后趋于平稳。预应力钢束终张拉对梁体混凝土应变的影响显著。

4 结论

通过分析非对称预应力混凝土连续箱梁在二次浇筑过程中混凝土水化热温度场和早期应变的监测结果，主要得出以下结论：

1）顶腹板交界处混凝土升温较快，与同一截面其他位置相比，该处温度峰值最高。顶腹板交界处与箱室顶板中心的最大温差出现时间滞后于顶腹板交界处与腹板顶部。虽然两者的最大温差相差不大，但后者温差达到峰值时，二次浇筑的混凝土已终凝约20 h。在首次浇筑的腹板混凝土和模板的约束下，由顶腹板交界处与箱室顶板中心温差产生的温度应力容易造成二次浇筑混凝土早期开裂。

2）连续现浇箱梁预应力钢束分阶段张拉可减小二次浇筑后顶腹板交界处混凝土早期拉应变，从而有效降低连续现浇箱梁顶板开裂风险。