混凝土箱梁的水化熱溫度監(jiān)測及裂縫控制

1、2001年9月第19卷第3期長沙鐵道學院學報JOU RNAL O F CHAN GSHA RA I LW A Y UN I V ER S IT YNo3Sep t.2001混凝土箱梁的水化熱溫度監(jiān)測及裂縫控制楊孟剛,文永奎,陳政清(中南大學土木建筑學院,湖南長沙410075摘要:介紹了我國首次采用的32m鐵路雙線單箱單室混凝土箱梁水化熱的測溫方法,通過對現(xiàn)場溫度的監(jiān)測,給出了混凝土箱梁溫度在橫截面的分布和隨時間變化的規(guī)律,分析出在混凝土硬化期箱梁容易出現(xiàn)裂縫的區(qū)域,并提出控制溫度裂縫的有效方法關鍵詞:箱梁;水化熱;溫度梯度;裂縫控制中圖分類號:U445.57文獻標識碼:AT he H ydra

2、ti on T em peratu re M on ito r and theC rack ing Con tro l of Concrete Box GirderYAN G M eng2gang,W EN Yong2ku i,CH EN Zheng2qing(C ivil A ch itectural Engineering Co llege,Central South U niversity,Changsha410075,Ch inaAbstract:In th is p ap er,the m ethod of testing concrete hydrati on tem p erat

3、u re in rail w ay box girder w ith a box and a cell is in troduced.B ased on the fu ll2scale testing,the tem p eratu re distribu ti on p attern in concrete box girders cro ss2secti on is ob tained and the ru le that the tem p eratu re changes w ith ti m e is p resen ted.Fu rtherm o re,du ring the co

4、ncretes harden ing the area that is easily induced crack is w o rked ou t,and the m easu res to con tro l the tem p eratu re crack are p ropo sed.Keywords:box girder;hydrati on heat;tem p eratu re gradien t;crack ing con tro l前言近來隨旅客列車行車速度的提高和高速鐵路的建造,對橋跨結構的設計和施工提出了更高的要求最新的鐵路規(guī)范TB100023299即鐵路橋涵鋼筋混凝土及預

5、應力混凝土結構設計規(guī)范,以及時速200km h新建鐵路線橋隧站設計暫行規(guī)定都對橋梁的剛度做出了相應的規(guī)定與公路混凝土箱梁相比,鐵路混凝土箱梁的一個顯著的特點就是截面尺寸大,特別是腹板較厚,以滿足其剛度的需要,從而導致混凝土用量增多在施工期間,水泥水化放出大量的熱,當熱量從表面散發(fā),在混凝土中產(chǎn)生溫度梯度,且靠近表面溫度梯度越大資料表明,由此收稿日期:2001-03-12基金項目:秦沈客運專線橋梁部綜合試驗研究(鐵道部2000G048作者簡介:楊孟剛(1976-,男,江西安義人,中南大學博士生溫度梯度導致的應力足以使箱梁表面產(chǎn)生裂縫所以溫度應力不僅在大體積混凝土中,而且在截面稍厚的鋼筋混凝土中也

6、不可忽視在混凝土結構施工中,即使厚度在40c m 左右的構件,施工期間出現(xiàn)的熱效應因此,掌握水化熱溫度沿箱梁截面的分布規(guī)律,并根據(jù)混凝土施工工藝狀況,估計溫差應力,對防止早期裂縫是十分重要的秦沈客運專線是我國首次運行速度達200km h 的旅客列車專用線路,采用了許多先進技術,32m 雙線單箱單室預應力簡支箱梁就是首次應用于鐵路我校承擔了橋梁部綜合試驗研究的工藝試驗研究部分,水化熱測試是其中一試驗項目本文給出了混凝土箱梁水化熱溫度的測量方法,并對小凌河特大橋32m 預應力簡支箱梁進行了現(xiàn)場溫度監(jiān)測,分析了箱型溫度的分布情況和在混凝土硬化期箱梁容易發(fā)生裂縫的區(qū)域,提出控制溫度裂縫的方法1水化熱溫

7、度的測定圖1中部溫度測點布置圖1.1測點布置溫度測點的布置按代表性截面及水化熱發(fā)生在截面最厚處的原則,布置在距跨中0.5m 和距梁端1m 的兩個截面位置處,測點數(shù)共計36個,其中環(huán)境測點2個側點分布見圖11.2測溫原理測定混凝土溫度采用集成式半導體結溫數(shù)字傳感器,該傳感器的特點是集測溫、AD 轉移于一體,并由一臺單片機管理,具有自動采集和自動存儲功能,從而可實現(xiàn)連續(xù)、長期的數(shù)據(jù)采集工作1.3現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集測點在混凝土入模后1h 即啟動數(shù)據(jù)采集工作,每1h 自動采集一次,連續(xù)采集14d 2試驗結果和分析2.1試驗結果試驗是在3號梁上進行,該梁是在冬季施工,澆筑時間為10月29號箱梁混凝土澆筑后,因

8、水泥水化產(chǎn)生水化熱,不斷積存熱量,形成短時期的內部高溫3號梁跨中頂板中心線處的2號、3號測點水化熱溫度以及環(huán)境溫度隨時間發(fā)展的曲線見圖2由圖可見,在測點溫度達到峰值后,溫降較快,混凝土的冷卻過程明顯分為四個階段:第一階段(約3d 溫度發(fā)生明顯的降低,由2729降到1214,與環(huán)境平均氣溫的溫差由2426降到1516第二階段,溫度值相對穩(wěn)定,在13左右波動,持續(xù)約兩天;第三階段,溫度迅速降低,并經(jīng)4d 左右降到最低溫度-9-6;第四階段,溫度隨時間稍有抬高,并最終達到穩(wěn)定溫度場(即結構內部溫度與外界溫度相平衡從試驗結果看,箱梁其14第3期楊孟剛等:混凝土箱梁的水化熱溫度監(jiān)測及裂縫控制圖22號和3

9、號測點溫度隨時間發(fā)展曲線圖它部分測點具有同2號、3號測點大致相同的水化熱溫度隨時間發(fā)展的曲線據(jù)實測數(shù)據(jù),澆筑后40h 左右,各測點溫度幾乎同時達到峰值,溫度滯差不大截面的最高峰值溫度出現(xiàn)在腹板中部跨中腹板和端部腹板峰值溫度分布見圖3和圖4可見沿箱梁腹板高度,腹板中心溫度分布為非對稱拋物線,且因端部腹板加厚,故其測點峰值溫度比跨中對應測點明顯偏高測點25的峰值溫度最高,達到45,而跨中相應位置的5號測點的峰值溫度為37圖5為箱梁端部底板下邊沿測點溫度分布圖從圖中可知,距底板邊沿相同高度的測點,在混凝土的水化放熱過程中,腹板圖33號梁跨中腹板測點溫度分布圖(澆筑后40h 處溫度明顯偏高其中,澆筑后

10、40h ,28號測點溫度為24,而27號測點溫度為32,高出28號測點8對于頂板上邊沿而言,存在同樣的問題,見圖6,跨中頂板中心線處比兩側腹板處也要低682.2結果分析由圖2可知,在整個水化熱冷卻過程中溫度變化幅度大,2號和3號測點溫度由峰值時的2729到最低溫度-9-6,溫降達3540溫降速度快,尤其在降溫過程中的第一和第三階段而溫降大和溫降速度快是產(chǎn)生溫度裂縫的圖43號梁端部腹板測點溫度分布圖(澆筑后40h 重要原因此外,2號測點與3號測點間溫度梯度不大,也因此加大了3號測點與板面間的溫度梯度由圖4可知,端部腹板的5號、6號測點峰值溫度達到45,而此時環(huán)境氣溫為46,溫差達40如此大的內外

11、溫差會導致拆模時,在板表面形成很大的拉應力,出現(xiàn)所謂的“溫度沖擊”現(xiàn)象3,容易產(chǎn)生受拉裂縫且在端部變截面較多,易造成應力集中,也是容易形成裂縫的原因因此可見,箱梁端部是容易產(chǎn)生溫度裂縫的區(qū)域24長沙鐵道學院學報2001年圖53號梁端部底板測點溫度分布圖(澆筑后40h 由圖5和圖6可知,底板同一高度測點以及頂板同一高度測點溫度分布,受腹板混凝土產(chǎn)生的熱源影響,溫度在腹板處較底、頂板其他位置高,從而底、頂板在位于腹板附近將產(chǎn)生較大的溫度梯度,比中心區(qū)域更容易產(chǎn)生溫度裂縫所以底、頂板在與腹板交界處也是容易產(chǎn)生溫度裂縫的區(qū)域3水化熱引起的溫度裂縫的控制方法3.1加強箱梁混凝土的養(yǎng)護由于鐵路箱梁截面尺寸

12、大,在箱梁腹圖63號梁跨中頂板測點溫度分布圖(澆筑后40h 板中心形成較高的水化熱溫度,端部腹板處峰值溫度達45由于該橋地處寒冷的東北地區(qū),且施工季節(jié)為冬季,環(huán)境氣溫較低,水化熱降溫幅度大、速度快,容易產(chǎn)生溫度裂縫從水化熱發(fā)展曲線可以看到,在混凝土的冷卻過程中達到最低溫度-9-6,比當時的平均環(huán)境氣溫略低,直接加大了降溫幅度在降溫的第一階段,混凝土的彈性模量仍較小,抗拉強度低,過快降溫易造成箱梁表面較大的溫度梯度,有產(chǎn)生裂縫的危險,因此控制降溫速度是控制溫度裂縫的有效方法在混凝土的硬化期間,應進行箱梁混凝土的長期養(yǎng)護工作,包括在橋面上覆蓋草墊,并用帆布包裹橋梁及蒸汽養(yǎng)護等同時,加強養(yǎng)護也可減少

13、混凝土的收縮,在東北地區(qū)空氣濕度一般為40%50%,空氣濕度較低,且風速較高,混凝土水分蒸發(fā)快,會導致混凝土體積收縮,收縮變形由表及里的不均勻性,助長溫度變形并引起應力,用帆布包裹橋梁可有效地降低空氣流通,并起到保溫、保濕的作用在小凌河特大橋冬季施工后期,采用帆布包裹橋梁和蒸汽養(yǎng)護的養(yǎng)護方式,起到了良好的效果3.2合理控制拆模時間箱梁的模板對混凝土的養(yǎng)護起到明顯的作用,控制拆模時間,使混凝土內部與外表面之間溫差小于15,可有效防止溫度裂縫的出現(xiàn)箱梁的模板可減小空氣的接觸,有利于降低箱梁表面混凝土的收縮由于側模及內模使通風孔封閉,且端?？山档惋L對橋跨兩端的影響、保持箱內溫度,從而有利于箱內混凝土

14、的養(yǎng)護3號梁內模拆除時間為澆筑后65h 左右,持續(xù)時間為8h ,此時混凝土溫度仍接近峰值由圖7可知,拆模前,距箱內表面最近的1號測點溫度最高,與頂板中心的2號測點溫差約1,與頂面3號測點溫差約45而在拆模后,1號測點溫度略低于2和3號測點,溫度34第3期楊孟剛等:混凝土箱梁的水化熱溫度監(jiān)測及裂縫控制圖73號梁跨中頂面測點溫度隨時間變化圖下降幅度大可見模板的拆除時間對箱內表面影響尤為較大因此對3號梁而言,拆模略較早從水化溫度發(fā)展曲線看,當溫降進入第二階段后(約5d 時間拆模,可大大減小環(huán)境溫度對箱梁表面的溫度沖擊3.3改進施工工藝、加強施工質量控制在結構配筋及混凝土灌注工藝允許的前提下,選用粒徑

15、大的粗骨料,使用減水劑,可減少用水量,混凝土的收縮和泌水則隨之減少同時由于水泥用量的減少,水泥的水化熱減少,降低了混凝土的溫升4,而且還可提高混凝土的彈性模量及混凝土的抗拉強度加強混凝土的振搗由于鐵路混凝土箱梁配筋量大,加強混凝土的振搗可提高箱梁表面混凝土的質量,增強混凝土的抗裂性3.4改進構造設計、合理配筋改進構造設計、合理配筋是減少溫度裂縫的有效方法在鋼筋混凝土結構中,合理配置構造鋼筋可減少混凝土表面的裂縫數(shù)量及裂縫寬度因此可在容易發(fā)生溫度裂縫的區(qū)域箱梁的端部和位于腹板附近的頂板上表面及底板下表面,布置較多的構造鋼筋4結論1對于單箱單室的雙線鐵路箱梁,截面尺寸大,水化熱溫升高、降溫快,形成較大的溫度梯度,容易產(chǎn)生溫度裂縫,必須予以高度重視2混凝土箱梁的端部和位于腹板附近的頂板上表面及底板下