非對(duì)稱預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁水化熱溫度及應(yīng)變監(jiān)測(cè)與分析

王福興

中鐵十九局集團(tuán)有限公司，遼寧遼陽(yáng)111000

因具有抗扭剛度大、承載能力高等諸多優(yōu)點(diǎn)，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁近年來(lái)在公路和鐵路橋梁中得到廣泛應(yīng)用［1-2］。連續(xù)現(xiàn)澆箱梁由于混凝土強(qiáng)度高、單方水泥用量大，特別是在模板約束作用下常因水化熱問(wèn)題出現(xiàn)早期開裂現(xiàn)象，影響到連續(xù)箱梁的耐久性和受力性能［3-4］。

為解決連續(xù)現(xiàn)澆箱梁的早期開裂問(wèn)題，學(xué)者們針對(duì)混凝土連續(xù)箱梁早期水化熱以及裂縫控制措施進(jìn)行了相關(guān)研究［5-6］。目前連續(xù)現(xiàn)澆箱梁大多采用二次澆筑的施工工藝，但由于新舊混凝土之間的收縮差異以及二次澆筑頂板混凝土的水化熱溫度效應(yīng)，頂腹板交界處仍然存在混凝土開裂問(wèn)題。

本文對(duì)余姚—慈溪高速公路一聯(lián)四跨非對(duì)稱預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁水化熱溫度場(chǎng)和早期應(yīng)變進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，分析二次澆筑過(guò)程中頂板和腹板溫度分布規(guī)律，探討預(yù)應(yīng)力分階段張拉抑制連續(xù)箱梁早期裂縫的可行性，為類似工程提供參考。

1 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁概況

在本次監(jiān)測(cè)的試驗(yàn)段預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁跨徑布置為4×27 m，橫截面為單箱五室非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，箱梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50。采用滿堂支架二次澆筑法施工。首次澆筑箱梁的底板和腹板，澆筑完成10 d后二次澆筑箱梁的頂板和翼緣板。由于該箱梁跨度較大，頂板寬度也較大，為防止頂板出現(xiàn)早期裂縫，對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼絞線分階段張拉。頂板和翼緣板澆筑3 d后對(duì)N3和N1預(yù)應(yīng)力鋼束依次進(jìn)行初張拉，張拉控制應(yīng)力為700 MPa；頂板和翼緣板澆筑7 d后對(duì)N3、N2、N4和N1預(yù)應(yīng)力鋼束依次進(jìn)行終張拉，張拉控制應(yīng)力為1 395 MPa。

2 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)余慈高速公路已澆筑完成的非對(duì)稱預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)現(xiàn)澆箱梁裂縫分布，在監(jiān)測(cè)試驗(yàn)段自小里程方向（余姚側(cè)）至大里程（慈溪側(cè)）方向布置了6個(gè)測(cè)試截面，如圖1所示，編號(hào)J1—J6。中跨選取L/4和3L/4（L為跨度）兩個(gè)測(cè)試截面，邊跨選取靠近中跨的L/4截面，監(jiān)測(cè)混凝土水化熱溫度和早期應(yīng)變的變化情況。

圖1 箱梁縱向測(cè)試截面

測(cè)試截面溫度和應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。每個(gè)截面設(shè)置12個(gè)測(cè)點(diǎn)。其中，測(cè)點(diǎn)1—測(cè)點(diǎn)4用于監(jiān)測(cè)箱梁腹板頂部的溫度和應(yīng)變，測(cè)點(diǎn)6、測(cè)點(diǎn)9、測(cè)點(diǎn)11用于監(jiān)測(cè)頂板中心處的溫度和應(yīng)變，其余測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)頂腹板交界處的溫度和應(yīng)變。自澆筑后每隔2 h測(cè)試1次溫度和應(yīng)變，共監(jiān)測(cè)13 d。

圖2 箱梁跨中橫截面及測(cè)點(diǎn)布置（單位：cm）

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 混凝土水化熱溫度場(chǎng)

由于測(cè)點(diǎn)較多，為便于分析將非對(duì)稱預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁各測(cè)試截面中12個(gè)測(cè)點(diǎn)分成腹板頂部、頂腹板交界處、箱室頂板中心三個(gè)區(qū)域。將同一區(qū)域的溫度值取平均，作為測(cè)試截面該區(qū)域混凝土水化熱溫度代表值，并分別計(jì)算頂腹板交界處與腹板頂部、箱室頂板中心的溫差。混凝土終凝時(shí)間在8～10 h。箱梁各測(cè)試截面水化熱溫度隨齡期變化曲線見(jiàn)圖3。

圖3 箱梁各測(cè)試截面水化熱溫度隨齡期變化曲線

由圖3可以看出：①頂腹板交界處混凝土升溫較快，與同一截面其他位置相比，該處溫度峰值最高。主要是因?yàn)轫敻拱褰唤缣幓炷翝仓枯^大，水化熱反應(yīng)更顯著，四周散熱條件較差，混凝土降溫較慢。6個(gè)截面頂腹板交界溫度峰值均超過(guò)50℃。②腹板頂部的溫度變化主要由頂板混凝土的水化熱引起，且四周散熱條件較差，故其升溫和降溫均較慢。6個(gè)截面腹板頂部溫度峰值約40～42℃。③與頂腹板交界處相比，箱室頂板中心因混凝土澆筑量小，且表面散熱較快，故其呈現(xiàn)出快速升溫和降溫的變化規(guī)律。6個(gè)截面頂板中心處溫度峰值在40～45℃。④在頂腹板交界處水化熱溫度曲線上升階段（0～22 h），三個(gè)測(cè)試區(qū)域中頂腹板交界處升溫最快，腹板頂部升溫最慢。頂腹板交界處與腹板頂部最大溫差平均約16℃。⑤在頂腹板交界處水化熱溫度曲線下降階段（22～300 h），各截面頂腹板交界處與箱室頂板中心的溫差達(dá)到最大值。這是由于頂腹板交界處升溫快而降溫慢，箱室頂板中心升溫和降溫均較快。該最大溫差出現(xiàn)時(shí)二次澆筑混凝土已終凝約20 h。6個(gè)截面最大溫差平均約15℃。在首次澆筑的腹板混凝土和模板的約束下，由該溫差產(chǎn)生的溫度應(yīng)力有可能造成二次澆筑混凝土早期開裂。

3.2 混凝土早期應(yīng)變

將各截面三個(gè)測(cè)試區(qū)域監(jiān)測(cè)結(jié)果分別取平均，作為該區(qū)域混凝土早期應(yīng)變代表值。

箱梁各測(cè)試截面混凝土應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4。齡期72 h時(shí)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼束初張拉。齡期168 h時(shí)進(jìn)行終張拉。

圖4 箱梁各測(cè)試截面混凝土早期應(yīng)變隨齡期變化曲線

由圖4可以看出：①預(yù)應(yīng)力鋼束初張拉前，各截面腹板頂部基本處于受壓狀態(tài)，混凝土應(yīng)變隨齡期增長(zhǎng)先減小后增大。頂腹板交界處應(yīng)變呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，箱室頂板中心應(yīng)變變化不大。②自預(yù)應(yīng)力鋼束開始初張拉至終張拉前，受預(yù)應(yīng)力鋼束初張拉影響，各截面腹板頂部和頂腹板交界處混凝土應(yīng)變隨齡期增長(zhǎng)均呈現(xiàn)出先減小而后略微波動(dòng)的變化規(guī)律。雖然頂腹板交界處仍基本處于受拉狀態(tài)，但初張拉使得早期應(yīng)變值有所減小，降低了開裂風(fēng)險(xiǎn)。③預(yù)應(yīng)力鋼束終張拉開始至完成后（168～300 h），各截面三個(gè)測(cè)試區(qū)域混凝土應(yīng)變均先明顯減小而后趨于平穩(wěn)。預(yù)應(yīng)力鋼束終張拉對(duì)梁體混凝土應(yīng)變的影響顯著。

4 結(jié)論

通過(guò)分析非對(duì)稱預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁在二次澆筑過(guò)程中混凝土水化熱溫度場(chǎng)和早期應(yīng)變的監(jiān)測(cè)結(jié)果，主要得出以下結(jié)論：

1）頂腹板交界處混凝土升溫較快，與同一截面其他位置相比，該處溫度峰值最高。頂腹板交界處與箱室頂板中心的最大溫差出現(xiàn)時(shí)間滯后于頂腹板交界處與腹板頂部。雖然兩者的最大溫差相差不大，但后者溫差達(dá)到峰值時(shí)，二次澆筑的混凝土已終凝約20 h。在首次澆筑的腹板混凝土和模板的約束下，由頂腹板交界處與箱室頂板中心溫差產(chǎn)生的溫度應(yīng)力容易造成二次澆筑混凝土早期開裂。

2）連續(xù)現(xiàn)澆箱梁預(yù)應(yīng)力鋼束分階段張拉可減小二次澆筑后頂腹板交界處混凝土早期拉應(yīng)變，從而有效降低連續(xù)現(xiàn)澆箱梁頂板開裂風(fēng)險(xiǎn)。