混凝土箱梁的水化热温度监测及裂缝控制概要.docx

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混凝土箱梁的水化热温度监测及裂缝控制概要

2001年9月第19卷第3期　

长沙铁道学院学报

JOURNALOFCHANGSHARAILWAYUNIVERSITY

No3

Sept.2001

文章编号:

100022499（20010320040205

混凝土箱梁的水化热温度监测及裂缝控制

杨孟刚,文永奎,陈政清Ξ

（中南大学土木建筑学院,湖南长沙　410075

摘　要:

介绍了我国首次采用的32m铁路双线单箱单室混凝土箱梁水化热的测温方法,通过对现场温度的监测,给出了混凝土箱梁温度在横截面的分布和随时间变化的规律,分析出在混凝土硬化期箱梁容易出现裂缝的区域,并提出控制温度裂缝的有效方法Λ

关键词:

箱梁;水化热;温度梯度;裂缝控制

中图分类号:

U445.57　　　文献标识码:

A

TheHydrationTemperatureMonitorandthe

CrackingControlofConcreteBoxGirder

YANGMeng2gang,WENYong2kui,CHENZheng2qing

（CivilAchitecturalEngineeringCollege,CentralSouthUniversity,Changsha410075,China

Abstract:

Inthispaper,themethodoftestingconcretehydrationtemperatureinrailwayboxgirderwithaboxandacellisintroduced.Basedonthefull2scaletesting,thetemperaturedistributionpatterninconcreteboxgirder’scross2sectionisobtainedandtherulethatthetemperaturechangeswithtimeispresented.Furthermore,duringtheconcrete’shardeningtheareathatiseasilyinducedcrackisworkedout,andthemeasurestocontrolthetemperaturecrackareproposed.

Keywords:

boxgirder;hydrationheat;temperaturegradient;crackingcontrol

前　言

近来随旅客列车行车速度的提高和高速铁路的建造,对桥跨结构的设计和施工提出了更高的要求Λ最新的铁路规范TB100023299即《铁路桥涵钢筋混凝土及预应力混凝土结构设计规范》,以及《时速200kmh新建铁路线桥隧站设计暂行规定》都对桥梁的刚度做出了相应的规定Λ与公路混凝土箱梁相比,铁路混凝土箱梁的一个显著的特点就是截面尺寸大,特别是腹板较厚,以满足其刚度的需要,从而导致混凝土用量增多Λ在施工期间,水泥水化放出大量的热,当热量从表面散发,在混凝土中产生温度梯度,且靠近表面温度梯度越大Λ资料表明,由此

Ξ收稿日期:

2001-03-12

　基金项目:

秦沈客运专线桥梁部综合试验研究（铁道部2000G048

　作者简介:

杨孟刚（1976-,男,江西安义人,中南大学博士生Λ

温度梯度导致的应力足以使箱梁表面产生裂缝Λ所以温度应力不仅在大体积混凝土中,而且在截面稍厚的钢筋混凝土中也不可忽视Λ在混凝土结构施工中,即使厚度在40cm左右的构件,

也要考虑这种影响[1]Λ《美国公路桥梁设计规范》[2]第5.14.2.3.5条规定:

应考虑可能在桥梁

施工期间出现的热效应Λ因此,掌握水化热温度沿箱梁截面的分布规律,并根据混凝土施工工艺状况,估计温差应力,对防止早期裂缝是十分重要的Λ

秦沈客运专线是我国首次运行速度达200kmh的旅客列车专用线路,采用了许多先进技术,32m双线单箱单室预应力简支箱梁就是首次应用于铁路Λ我校承担了桥梁部综合试验研究的工艺试验研究部分,水化热测试是其中一试验项目Λ本文给出了混凝土箱梁水化热温度的测量方法,并对小凌河特大桥32m预应力简支箱梁进行了现场温度监测,分析了箱型温度的分布情况和在混凝土硬化期箱梁容易发生裂缝的区域,提出控制温度裂缝的方法Λ1　水化热温度的测定

图1　中部温度测点布置图

1.1　测点布置

温度测点的布置按代表

性截面及水化热发生在截面

最厚处的原则,布置在距跨中

0.5m和距梁端1m的两个截

面位置处,测点数共计36个,

其中环境测点2个Λ侧点分布

见图1Λ

1.2　测温原理

测定混凝土温度采用集

成式半导体结温数字传感器,

该传感器的特点是集测温、A

D转移于一体,并由一台单片机管理,具有自动采集和自动存储功能,从而可实现连续、长期的数据采集工作Λ

1.3　现场数据采集

测点在混凝土入模后1h即启动数据采集工作,每1h自动采集一次,连续采集14dΛ2　试验结果和分析

2.1　试验结果

试验是在3号梁上进行,该梁是在冬季施工,浇筑时间为10月29号Λ

箱梁混凝土浇筑后,因水泥水化产生水化热,不断积存热量,形成短时期的内部高温Λ3号梁跨中顶板中心线处的2号、3号测点水化热温度以及环境温度随时间发展的曲线见图2Λ由图可见,在测点温度达到峰值后,温降较快,混凝土的冷却过程明显分为四个阶段:

第一阶段（约3d温度发生明显的降低,由27℃~29℃降到12℃~14℃,与环境平均气温的温差由24℃~26℃降到15℃~16℃Λ第二阶段,温度值相对稳定,在13℃左右波动,持续约两天;第三阶段,温度迅速降低,并经4d左右降到最低温度-9℃~-6℃;第四阶段,温度随时间稍有抬高,并最终达到稳定温度场（即结构内部温度与外界温度相平衡Λ从试验结果看,箱梁其

14第3期　　　　　　　杨孟刚等:

混凝土箱梁的水化热温度监测及裂缝控制　　　　　　　　

图2　2号和3号测点温度随时间发展曲线图

它部分测点具有同2号、3号测点大致相同

的水化热温度随时间发展的曲线Λ

据实测数据,浇筑后40h左右,各测点

温度几乎同时达到峰值,温度滞差不大Λ截

面的最高峰值温度出现在腹板中部Λ跨中

腹板和端部腹板峰值温度分布见图3和图

4Λ可见沿箱梁腹板高度,腹板中心温度分

布为非对称抛物线,且因端部腹板加厚,故

其测点峰值温度比跨中对应测点明显偏

高Λ测点25的峰值温度最高,达到45℃,

而跨中相应位置的5号测点的峰值温度为

37℃Λ

图5为箱梁端部底板下边沿测点温度

分布图Λ从图中可知,距底板边沿相同高度

的测点,在混凝土的水化放热过程中,腹板

图3　3号梁跨中腹板测点温度分布图（浇筑后40h处温度明显偏高Λ其中,浇筑后40h,28号

测点温度为24℃,而27号测点温度为32

℃,高出28号测点8℃Λ对于顶板上边沿

而言,存在同样的问题,见图6,跨中顶板中

心线处比两侧腹板处也要低6℃~8℃Λ

2.2　结果分析由图2可知,在整个水化热冷却过程

中温度变化幅度大,2号和3号测点温度由

峰值时的27℃~29℃到最低温度-9℃

~-6℃,温降达35℃~40℃Λ温降速度

快,尤其在降温过程中的第一和第三阶段Λ而温降大和温降速度快是产生温度裂缝的

图4　3号梁端部腹板测点温度分布图（浇筑后40h

重要原因Λ此外,2号测点与3号测点间温

度梯度不大,也因此加大了3号测点与板

面间的温度梯度Λ

由图4可知,端部腹板的5号、6号测

点峰值温度达到45℃,而此时环境气温为

4℃~6℃,温差达40℃Λ如此大的内外温

差会导致拆模时,在板表面形成很大的拉

应力,出现所谓的“温度冲击”现象[3],容易

产生受拉裂缝Λ且在端部变截面较多,易造

成应力集中,也是容易形成裂缝的原因Λ因

此可见,箱梁端部是容易产生温度裂缝的

区域Λ24　　　　　　　　　　　　长沙铁道学院学报　　　　　　　　　　　　　2001年

图5　3号梁端部底板测点温度分布图（浇筑后40h

由图5和图6可知,底板同一高度测

点以及顶板同一高度测点温度分布,受腹

板混凝土产生的热源影响,温度在腹板处

较底、顶板其他位置高,从而底、顶板在位

于腹板附近将产生较大的温度梯度,比中

心区域更容易产生温度裂缝Λ所以底、顶板

在与腹板交界处也是容易产生温度裂缝的

区域Λ

3　水化热引起的温度裂缝的控

制方法

3.1　加强箱梁混凝土的养护由于铁路箱梁截面尺寸大,在箱梁腹

图6　3号梁跨中顶板测点温度分布图（浇筑后40h

板中心形成较高的水化热温度,端部腹板

处峰值温度达45℃Λ由于该桥地处寒冷的

东北地区,且施工季节为冬季,环境气温较

低,水化热降温幅度大、速度快,容易产生

温度裂缝Λ从水化热发展曲线可以看到,在

混凝土的冷却过程中达到最低温度-9℃

~-6℃,比当时的平均环境气温略低,直

接加大了降温幅度Λ在降温的第一阶段,混

凝土的弹性模量仍较小,抗拉强度低,过快

降温易造成箱梁表面较大的温度梯度,有

产生裂缝的危险,因此控制降温速度是控

制温度裂缝的有效方法Λ在混凝土的硬化期间,应进行箱梁混凝土的长期养护工作,包括在桥面上覆盖草垫,并用帆布包裹桥梁及蒸汽养护等Λ同时,加强养护也可减少混凝土的收缩,在东北地区空气湿度一般为40%~50%,空气湿度较低,且风速较高,混凝土水分蒸发快,会导致混凝土体积收缩,收缩变形由表及里的不均匀性,助长温度变形并引起应力,用帆布包裹桥梁可有效地降低空气流通,并起到保温、保湿的作用Λ在小凌河特大桥冬季施工后期,采用帆布包裹桥梁和蒸汽养护的养护方式,起到了良好的效果Λ

3.2　合理控制拆模时间

箱梁的模板对混凝土的养护起到明显的作用,控制拆模时间,使混凝土内部与外表面之间温差小于15℃,可有效防止温度裂缝的出现Λ箱梁的模板可减小空气的接触,有利于降低箱梁表面混凝土的收缩Λ由于侧模及内模使通风孔封闭,且端模可降低风对桥跨两端的影响、保持箱内温度,从而有利于箱内混凝土的养护Λ

3号梁内模拆除时间为浇筑后65h左右,持续时间为8h,此时混凝土温度仍接近峰值Λ由图7可知,拆模前,距箱内表面最近的1号测点温度最高,与顶板中心的2号测点温差约1℃,与顶面3号测点温差约4℃~5℃Λ而在拆模后,1号测点温度略低于2和3号测点,温度

34第3期　　　　　　　杨孟刚等:

混凝土箱梁的水化热温度监测及裂缝控制　　　　　　　　

图7　3号梁跨中顶面测点温度随时间变化图下降幅度大Λ可见模板的拆除时间对箱内

表面影响尤为较大Λ因此对3号梁而言,拆

模略较早Λ从水化温度发展曲线看,当温降

进入第二阶段后（约5d时间拆模,可大大

减小环境温度对箱梁表面的温度冲击Λ

3.3　改进施工工艺、加强施工质量控制

在结构配筋及混凝土灌注工艺允许的

前提下,选用粒径大的粗骨料,使用减水

剂,可减少用水量,混凝土的收缩和泌水则

随之减少Λ同时由于水泥用量的减少,水泥

的水化热减少,降低了混凝土的温升[4],而

且还可提高混凝土的弹性模量及混凝土的抗拉强度Λ

加强混凝土的振捣Λ由于铁路混凝土箱梁配筋量大,加强混凝土的振捣可提高箱梁表面混凝土的质量,增强混凝土的抗裂性Λ

3.4　改进构造设计、合理配筋

改进构造设计、合理配筋是减少温度裂缝的有效方法Λ在钢筋混凝土结构中,合理配置构造钢筋可减少混凝土表面的裂缝数量及裂缝宽度Λ因此可在容易发生温度裂缝的区域——箱梁的端部和位于腹板附近的顶板上表面及底板下表面,布置较多的构造钢筋Λ

4　结　论

1对于单箱单室的双线铁路箱梁,截面尺寸大,水化热温升高、降温快,形成较大的温度梯度,容易产生温度裂缝,必须予以高度重视Λ

2混凝土箱梁的端部和位于腹板附近的顶板上表面及底板下表面是容易发生温度裂缝的区域,在设计时应加强构造配筋的设置Λ

3合理控制拆模时间和加强养护是控制温度裂缝的有效方法Λ

参考文献:

[1]　刘兴法1混凝土结构的温度应力分析[M]1北京:

人民交通出版社,1991.

[2]　美国公路桥梁设计规范[S]1美国各州公路和运输工作者协会（AASHTO制定.SI单位.第1版,1994.

[3]　朱伯芳1水工混凝土的温度与温度控制[M]1北京:

水利水电出版社,1976.

[4]　王铁梦1建筑物的裂缝控制[M]1上海:

上海科学技术出版社,1987.

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