关于混凝土箱梁温度场的研究

刘海弯

（陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000）

0 引言

随着社会经济的快速发展，国内桥梁事业也取得了巨大成就，例如港珠澳大桥（55 km）、天津特大桥（113.7 km）、丹昆特大桥（164.85 km）、沧德特大桥（53.21 km）等这些桥梁的建成投运都有标志性意义。混凝土箱梁是现代桥梁项目中常见的一种桥梁形式，其具有综合性能好、施工及维护费用低较低以及适用面广等优点，由于其自身材料限制，易发生水化热，热量短时间聚集，使混凝土箱梁内部快速升温，如果温度扩散不及时，就会导致混凝土箱梁内外温差增大，温度应力也随之增大。当超出限值后就会引起裂缝病害，进而损害混凝土箱梁整体的质量。该文通过研究混凝土箱梁的温度场，掌握温度变化规律，并采取有效措施可以预防及控制温度裂缝。因此，在混凝土箱梁施工中针对温度场进行分析是非常有必要的。

1 案例项目概况

某桥梁项目位于陕西省铜川市，该桥的主桥形式为2×（62.5+4×115+62.5）m变截面预应力混凝土连续钢构箱梁桥，桥宽度为12.0 m，纵坡为0.63%。且箱梁的根部梁高为6.5 m，高跨比为1/17.7；中跨梁高为2.8 m，高跨比为1/41.11/1、；梁高及底板厚度均按二次抛物线形式变化。箱梁0#块顶板厚0.50 m，其余梁段厚0.28 m；0#块腹板厚1.0 m，其余梁段腹板8#梁段及以前为0.60 m，9#～10#梁段由0.60 m按直线变化至0.45 m，11#梁段及以后为0.45 m。桥面横坡为单向2%，箱梁顶面和底板平行。主桥下部主墩高54 m～59 m，其中3个中主墩采用单薄壁空心墩，2个边主墩采用双薄壁空心墩（双肢间留2 cm缝隙），壁厚50 cm。主墩承台下设9Φ170 cm摩擦桩。该桥梁项目所在地区属温和半干旱气候区，气候温和湿润，四季分明。

2 温度场试验

2.1 混凝土温度监测设备

此次混凝土温度监测使用的设备包括JMT-36C型电阻式温度传感器及JMWT-64RT全自动无人值守温度采集仪，具体性能指标见表1。

表1 混凝土测温设备性能指标

2.2 混凝土箱梁测点布置

混凝土箱梁早龄期的温度场研究主要针对该箱梁的成桥阶段温度场分布及时变规律进行研究。该混凝土箱梁的体型比较庞大而且结构也比较复杂，因此在每个位置都布置温度传感器是不太现实的。但是为了保证温度实测数据的全面性、可靠性及有效性，该研究选取2#块与4#块之间的截面布置测温传感器来进行温度监测。其中2#块截面上共计布置了46个测温点，4#块截面上布置了36个测温点，如图1所示。

图1 4#块箱梁横截面温度测点布置图（单位：cm）

3 现场温度实测数据

为了掌握该混凝土项目的温度场分布规律及温度效应情况，从2019年12月——2020年12月，每间隔1 h～2 h便观测一次实际温度场数据，主要涉及环境温度、箱梁各点温度以及箱梁内部温度。并经过统计汇总，最终得出该混凝土箱梁的内部温度及环境温度年度变化情况，见表2。

从表2中可以看出，环境温度的最高温度值为38.6 ℃，最低温度值为-8.8 ℃，而箱梁的最高温度值为32.7 ℃，年平均最低温度值为-5.6 ℃。

表2 桥址温度统计表（℃）

4 混凝土箱梁温度场分布及及其时变规律分析

4.1 箱梁顶板温度

为了研究和掌握箱梁顶板各位置的温度分布及变化情况，选择温差最大的2020年8月份的温度进行分析，并建立变化趋势图，2#块与4#块的截面顶板温度分布及变化情况如图2所示。又选择2#块截面顶板的同一深度处测点的温度值，来分析顶板不同时间的温度分布及变化规律，如图3所示。

由图2可以看出，2#块与4#块同一位置的测温点的温度分布及变化趋势大致相同，这说明沿箱梁桥长方向的温度基本上是一致的，且顶板的温度分布趋势为中间高、两侧低。这是因为箱梁顶板的中间位置不仅会受到太阳的辐射作用，而且跟梁体内的热流交换也比较快，所以中间位置的温度会高于两侧翼缘板的温度。

图2 箱梁顶板沿宽度方向的温度分布

由图3可以看出，箱梁顶板的温度主要是随太阳辐射强度变化而变化，例如，随着太阳从东边升起，东侧的翼缘板因受太阳辐射较强，所以升温较快，温度较高，而西侧翼缘板则升温较慢，温度交底；当太阳升高后，西侧翼缘板所受的太阳辐射也会变强，随之温度也慢慢升高；且箱梁顶部的温度也会随太阳辐射变强而升高。而在太阳辐射变弱后，箱梁顶板各位置的温度也会随之下降。一天中箱梁顶板最高温度出现在14：00。

图3 不同时刻箱梁顶板的温度分布

4.2 箱梁腹板温度

同样是选取2020年8月份温度数据，对2#块及4#块箱梁西侧的腹板温度分布及变化规律进行分析，得出相同时间、相同深度测温点的温度分布情况如图4所示；2#块西侧腹板同一深度、不同时间的温度分布如图5所示。

由图4可以看出，沿梁高方向，箱梁的腹板位置温度分布是比较均匀的，波动不大。该箱梁桥属于是变截面连续钢构桥，4#块的梁高小于2#块，但是4#块与2#块的腹板温度分布规律基本一致，且温度值差也不大。

图4 箱梁西侧腹板同一深度处沿梁高方向温度分布图

由图5可以看出，腹板上部的测温点温度值比下部测温点的温度值高，随着太阳辐射强度的增强及降低，腹板的温度也会随之变化。

图5 不同时刻箱梁腹板的温度分布

4.3 箱梁底板温度分布

按上述同样的方法，监测汇总2#块底板与4#块底板在相同时间、相同深度的温度分布情况，具体结果如图6所示。2#块底板不同时间的温度分布情况如图7所示。

由图6可知，箱梁底板相同时间、相同深度的混凝土的温度分布比较均匀，最大温差＜1℃。同时，2#块与4#块的温度分布规律大致相同，且两者对应测温点的温度值相差也比较小，说明混凝土箱梁底板的温度分布跟箱梁高度大小没有关系。同时，随着太阳辐射强度的变化，箱梁底板的温度也会随之变化，但是变化幅度比较小。

图6 箱梁底板同一深度处测点的温度分布图

5 结论及建议

5.1 结论

综上所述，通过现场监测及收集混凝土箱梁13个月的温度数据及资料，并以2#块、4#块为例分析了箱梁的顶板、腹板和底板的温度分布规律结论如下。在不考虑局部的三维热传导性质的前提下，沿桥纵向的温度分布一致，除此之外，箱梁顶板的温度分布呈中间高，两边低的变化趋势，远离顶板的腹板温度沿高度方向分布较为均匀。

5.2 建议

在混凝土箱梁施工过程中，由于其自身特点决定了箱梁会因为混凝土水化热及内外温差等因素影响而产生非均匀的温度场，如果控制不当就会增大箱梁内外温度应力，进而会引起温度裂缝。为解决该问题，基于上述混凝土箱梁温度场的分布及时变规律提出以下3点建议：1）采取分层浇筑，并按照“底板→腹板→顶板”的顺序规范操作，并严格控制施工质量，例如在上述项目中，布料速度为30 m/h，且底板砼坍落度为220 mm，砼初凝时间为9 h、终凝时间为13 h；腹板砼坍落度为190 mm，初凝时间为6 h，终凝时间为10 h；顶板参考底板要求执行。这样可以有效控制箱梁早期混凝土水化热温度，避免早期出现温度裂缝。2）科学养护。除了常规覆盖避光保湿养护外，也要根据季节不同做好特殊养护，例如夏季，可在预应力孔道中通冷却水进行降温、在腹板中加铺冷却水管进行降温、在梁体内腔用鼓风机进行通风降温等；冬季采取蒸养工艺养护等；始终使箱梁内外温差保持均匀、可控，以避免出现裂缝问题。3）合理使用外加剂。混凝土施工中常用的外加剂主要有减水剂、缓凝剂以及早强剂等，合理使用外加剂能有效延缓砼的早期水化热。因此，在箱梁施工中，需要根据实际情况合理选用外加剂，改善混凝土早期水化热，减缓温升速度，防止出现裂缝。