预应力混凝土箱梁零号块水化热分析及温控研究

陈泽宇， 孙伟亮， 王慧东， 吴斐璠

(1. 石家庄铁道大学 道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室，河北 石家庄 050043;2.北京建业通工程检测技术有限公司，北京 100076)

随着大跨预应力混凝土梁的大规模应用，对箱梁零号块水化热的研究积累了一定经验。在预应力混凝土箱梁桥中，零号块体积大，混凝土用量多，属于大体积混凝土，在浇筑过程中水化热问题十分严重。高强混凝土的广泛应用，更是加剧了零号块的水化热问题。但是由于零号块内部结构十分复杂，钢筋密布且设有人洞结构，使其水化热发展规律与一般的大体积混凝土不同，对于一般大体积混凝土的温控措施并不能直接照搬来解决零号块的水化热问题[1-5]。因此，分析零号块在浇筑过程中的温度变化趋势，提出合理的温控方案，防止裂缝的产生是要重点研究的内容。

图1 主桥立面(单位:cm)

研究对象为南宁某预应力混凝土连续箱梁桥(见图1)，使用Midas FEA分析零号块浇筑后的温度及应力变化规律，提出分层浇筑和使用低热硅酸盐水泥2种温控方案，并结合实测数据，验证了采用低热硅酸盐水泥来降低水化热问题方案的合理性。

1 基本原理

1.1 热传导方程

在混凝土浇筑后，其热源为水泥的水化热，假设混凝土固体是均匀即符合各项同性的要求时，可以得到热传导方程为[6]

(1)

式中，α为混凝土导温系数，α=λ/cρ，λ为导热计算系数，c为比热，ρ为密度；θ为混凝土绝热温升；τ为时间；T为混凝土结构内某一点的瞬时温度。

1.2 混凝土水化热开裂机理

水化热会引发温升，使结构内外产生温差。由温差引起的结构变形会受到约束的限制，致使混凝土产生过大的拉应力，从而产生裂缝。按照约束条件的不同，将裂缝的产生分为2种：

(1)裂缝由内部约束引起。混凝土内部结构间产生的约束称为内部约束。混凝土浇筑完成后，结构内部温度大于外部温度，致使结构产生温度应力(自生应力)。当混凝土产生的自生应力过大时，会造成混凝土开裂。

(2)裂缝由外部约束引起。外部约束是指不同结构之间的约束。水化热后期，热量释放后，温度趋于稳定，位于零号块底部的临时固结会限制混凝土凝结硬化时产生的收缩，从而使结构产生拉应力。当混凝土产生的拉应力超过极限拉应力时，结构开裂。

2 零号块有限元模型的建立与分析

2.1 有限元仿真模型

该桥为单箱单室结构，横隔板厚2.5 m，零号块长12 m，梁高7.7 m，因结构复杂，水化热过程需要进一步研究。此零号块为对称结构，为方便计算，利用Midas FEA建立1/4结构为研究对象。定义边界条件分为以下几部分：在零号块临时固结处添加固定约束和温度，结构对称面处添加绝热边界条件，对流位置添加对流边界条件。本次计算采用实体单元建模并进行水化热分析。实体模型由15 730个节点、65 370个单元组成，有限元模型如图2所示。

图2 零号块有限元模型

零号块施工方法为整体浇筑，所用混凝土为C55高强混凝土，1 m3混凝土配合比及相关材料参数见表1，采用普通硅酸盐水泥时，通过文献[7]、文献[8]基于配合比和原材料比热可计算得到，混凝土比热为0.92 kJ/(kg·℃)。采用低热硅酸盐水泥时，水泥的比热为0.866 kJ/(kg·℃)，计算得到此混凝土比热为0.99 kJ/(kg·℃)。

表1 C55混凝土配合比及相关参数

混凝土的绝热温升数值

(2)

式中，t为龄期；Q为水泥水化热总量；W为1 m3胶凝材料用量；m为单方胶凝材料的对应系数。经计算，普通和低热硅酸盐混凝土的绝热温升数值分别为68 ℃和59 ℃。

混凝土结构的热源来自水泥的水化热，热源函数选择使用有限元软件内嵌计算公式[9]

Q(t)=Qint(1-e-α(t-t0))

(3)

式中，Q(t)、Qintt分别为混凝土t时刻的温度和最大绝热温度。

根据工程的具体情况对对流边界进行模拟。环境温度取当地日常温度20 ℃，混凝土浇筑入模时的温度取20 ℃。流体与固体表面之间的换热能力用等效对流放热系数来表示，零号块端部采用5 mm钢模，侧面6 mm钢模，内部2 cm木模，底模2 cm竹胶板，土工布覆盖顶板。根据等效放热系数β[10]计算各边界对流系数。

(4)

式中，βq、hi、λi分别为空气层对流放热系数、各保护层厚度和导热系数。

2.2 仿真结果及分析

混凝土整体浇筑后10、40、100、200 h的温度场云图和混凝土浇筑后40、200 h的应力场云图如图3所示。

图3 混凝土整体浇筑后不同时段的温度云图和应力云图

由图3可以得出，在零号块混凝土浇筑后，温度迅速升高，顶板温度在浇筑后10～20 h内达到顶峰，然后趋于稳定并进入下降阶段。横隔板体积较大，浇筑10 h温度为50 ℃,并且温度持续升高，在40 h时结构内外温差大于25 ℃，此时达到横隔板温度峰值56.7 ℃，所以横隔板处水化热问题较大。在40 h以后横隔板的温度呈现下降趋势。

零号块浇筑40 h时，结构内外温差最大，由此产生的自生应力峰值为2.96 MPa，位置在横隔板外侧梁体的表面。温度峰值过后，内外温差减小从而应力逐渐减小。随着混凝土收缩的发展，约束应力不断增大，最后趋于稳定为1.77 MPa。

综上所述，在整体浇筑过程中，零号块的温度场分布不均匀，且内外温差最大值超出《大体积混凝土施工标准》规范值25 ℃，并且考虑零号块构造及结构受力较为复杂，此情况下很可能会产生较大的拉应力，混凝土容易产生有害性裂纹，故有必要制定合理有效的温控方案。

3 温控方案及分析

提出2种温控措施，并进行对比分析。①采用分层浇筑方法以减小内外温差，加快混凝土散热。②改变普通硅酸盐水泥为低热硅酸盐水泥减小水化热产生的热量[11-13]。对于一般大体积混凝土常布置冷却水管进行降温处理，但由于零号块采用混凝土强度较高、结构复杂且钢筋布置较多，所以不考虑设置冷却水管进行降温的方案。

3.1 零号块分层浇筑

分层浇筑可以减小混凝土一次浇筑的体积，利于温度降低。本节采用分层浇筑的办法，将零号块自下而上分为3层进行浇筑。底板为第1层，第2层为横隔板和腹板，第3层为顶板，每层的高度分别为2.5、3.8 、1.5 m，层间时间间隔为200 h，保证各层混凝土水化热充分释放。定义热流量在层间接触表面的边界条件。第1层浇筑时，入模温度为20 ℃，考虑到水化热导致的温升，第2、3层浇筑时入模温度取25 ℃。

在每层浇筑后40 h左右时，各层的内部温度均达到峰值，第1层峰值温度45.0 ℃，第2层峰值温度43.2 ℃，第3层峰值温度39.6 ℃。

图4、图5为整体浇筑和分层浇筑仿真结果之间的对比。

图4 整体浇筑和分层浇筑的温度对比

图5 整体浇筑和分层浇筑的应力对比

从图4可见，分层浇筑方案中各层的峰值温度均小于整体浇筑方案的峰值温度，由整体浇筑的56.7 ℃降至45.0 ℃，明显减小了水化热效应。

从图5可见，整个分层浇筑方案的自生应力峰值为第1层浇筑的1.56 MPa，小于整体浇筑方案的2.96 MPa。稳定后的约束应力为1.48 MPa,小于整体浇筑的1.77 MPa。根据对比可知，分层浇筑方案能在一定程度上控制温度和应力。

3.2 采用低热硅酸盐水泥

低热硅酸盐水泥对比普通硅酸盐水泥具有良好的工作性、低水化热、高后期强度、高耐久性、高耐侵蚀性等优点，且水化放热平缓，峰值温度低，可以在一定程度上降低水化热带来的温度应力。

采用普通硅酸盐水泥与低热硅酸盐水泥仿真结果对比如图6、图7所示。通过对比仿真结果可知，采用2种不同水泥的混凝土均在40 h左右出现峰值温度。根据图6可见，采用低热硅酸盐水泥相比于采用普通硅酸盐水泥，峰值温度由56.7 ℃降至44.4 ℃，降低了约21.7%。

图6 使用不同水泥方案的温度对比

图7 使用不同水泥方案的应力对比

由图7可见，相比于使用普通水泥，采用低热水泥能更好地降低自生应力，其峰值由2.96 MPa降至1.89 MPa，降低了约36.1%，第2次应力增大均趋于1.78 MPa左右，通过2种方案对比可知，采用低热硅酸盐水泥能够较好地降低结构自生应力，减少裂缝产生。

4 实测数据对比

考虑到零号块为对称结构，所以温度测点实际仅在一侧布置，全桥共62个测点。本节以19号墩零号块为例说明。由于分层浇筑施工难度相对较大，所用时间较长，不能满足工期要求，最后决定采用低热硅酸盐混凝土整体浇筑方案，并控制原材料拌和温度，缩短运输时间，加快浇筑速度，尽量控制混凝土入模浇筑温度在20 ℃左右，减少混凝土在运输和浇筑中的温度回升。浇筑完成后在顶板洒水并覆盖土工布保温保湿，避免顶板温度下降过快造成结构内表温差过大。

4.1 仪器选择与测点布置

考虑到零号块为对称结构，所以温度测点实际仅在一侧布置，全桥共62个测点。本节以19号墩零号块为例说明，图8为测点布置图。

图8 测点布置(单位:cm)

本项目采用JMZX-215HAT埋入式智能传感器进行温度和应力的测量，使用JMZX-3001L综合测试仪采集数据，25 ℃环境下该仪器的测量误差为0.1 ℃，元件应变测试分辨率小于5 με，满足使用要求，安装牢固，且施工时注意保护。

4.2 数据分析

浇筑的前48 h内，每2 h采集一次数据，浇筑的第3天到第8天内，每5 h进行一次数据采集，由于数据较多，且要体现实际情况，仅取1-1截面重点分析。

选择测点5、6、9，对应于模型节点19565、19567、19856进行分析，温度实测与计算对比图如图9所示。选择测点3、11，对应于模型节点21669、22049进行分析，温度实测与计算对比图如图10所示。

图9 测点5、6、9温度实测与计算对比

图10 测点3、11温度实测与计算对比

根据图9、图10可以得出，混凝土浇筑后水化热大量生成，且无法快速释放，在40 h后达到峰值温度，实测结果与仿真分析趋势相符合；实测数据峰值温度为42.5 ℃，与仿真分析的峰值温度44.4 ℃吻合，说明此模拟方法能有效模拟实际水化热温度场。混凝土实际内外温差小于25 ℃，且以入模温度为基础的混凝土温升小于50 ℃。水化热问题得到了很好控制。

5 结论

结合有限元软件和现场实测数据，对预应力混凝土箱梁零号块浇筑过程中的温度场进行研究分析，得出以下结论：

(1)利用Midas FEA建模分析，得到的仿真数据与实测数据基本吻合，温度变化趋势一致，峰值温度相差不大，说明可以采用Midas FEA软件建立模型模拟零号块浇筑过程中的温度场变化。

(2)混凝土箱梁零号块水化热的峰值温度发生在构件厚度最厚、体积最大的地方，构件尺寸越大，内部温度下降越缓慢，构件内部积累热量越多，导致其与外界温差更大，容易产生较大的温度应力。顶板由于较薄，浇筑后顶板受外界的环境影响较大，散热快，温差小。

(3)与整体浇筑方案相比，分层浇筑和使用低热硅酸盐水泥2种方案均可有效改善混凝土零号块在浇筑过程中产生的过大自生应力和约束应力现象，结构温度峰值和主拉应力峰值也显著降低。因此分层浇筑和使用低热硅酸盐水泥2种方案均可降低混凝土箱梁桥零号块浇筑时产生的水化热，减少混凝土开裂风险。