砼箱梁内部温度的监测与应力分析

火东存,薛琳婧 ,李文娟

(1.陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000；2.甘肃自然能源研究院，甘肃 兰州 730070)

砼价格低廉、抗压强度较高，是桥梁施工的首选材料，但是水泥水化热量大，而砼导热性能差，对于局部尺寸较大的砼箱梁会形成内部聚集的热量不易散失而外部散热快的局势，从而造成砼箱梁内高外低的温度梯度，由此引发的不均匀变形在受到约束时就会形成温度应力[1-2]。当温度应力大于砼抗拉强度时就会致使砼开裂，由此引发的砼温度裂缝严重危及桥梁结构的耐久性、困扰工程技术人员，因此开展对于砼箱梁水化热分布规律的研究刻不容缓[3]。

本文依据背景桥梁的实测数据，分析了砼箱梁早期温度场的分布规律，在此基础上利用有限元软件Midas fea模拟建立箱梁实体模型，研究温度应力的分布规律，探讨箱梁早期温度裂缝的产生部位，以期为箱梁的设计、施工及检测提供参考。

1 温度试验

本文的资料源于一多跨简支转连续箱梁桥—李家沟大桥的实测数据。该桥全桥共4联4×40 m+4×40 m+4×40 m+4×40 m，上部结构采用预应力砼先简支后连续箱梁，箱梁砼强度高、截面局部尺寸较大，极易发生内外温差过大进而致使砼开裂的现象。

1.1 测点布置

选用李家沟大桥接近渭源侧的一联4跨，每跨分别选取一片边梁和一片中梁取跨中截面设置监测点。每个测试截面布置6个温度测点，具体如图1、图2所示。

图1 边梁温度测点布置示意图

图2 中梁温度测点布置示意图

1.2 测试方法

温度的检测包括箱梁腹板处应力应变的检测、箱梁砼温度场和环境温度的检测两方面[4-5]。绑扎箱梁钢筋时在各测点处预先埋设JTM-V5000型振弦式应变计，并由四芯电缆接出，数据的采集应用测量精度为±0.5 ℃的JTM-V10A型频率温度测量仪[6]。

对箱梁内部温度的监测从砼浇筑入模开始，每间隔2 h测试一次，在砼早期水化反应剧烈的时段可以适当增加测试的次数[7-8]。

1.3 测试结果

本次实验共测取了8片梁(4片边梁、4片中梁)在龄期内的温度和频率。测量得到的数据较多，选取其中较平稳的部分数据进行系统整理和分析，绘制成温度时程曲线，如图3、图4所示；箱梁环境温度情况汇总如表1所示。

表1 环境温度表 ℃

图3 中梁跨中截面测点温度时程曲线

图4 边梁跨中截面测点温度时程曲线

1.4 结果分析

综合分析环境温度表及中梁和边梁跨中截面温度时程曲线图可知箱梁的温度场分布有如下规律：

(1)箱梁各截面砼温度随时间变化的趋势基本一致，即都经历先升温、随即降温、最后稳定3个阶段。

(2)中梁、边梁在最高温度、最高温度发生时间等方面存在细微的差距，说明箱梁截面形状和尺寸对砼水化热温度的发展有一定的影响。

(3)箱梁砼入模近30～35 h达到最高温度，随后近5 h内各点温度保持基本稳定，随后温度缓缓下降，各典型测试点温度汇总如表2所示。由表2可以看出，各截面顶腹板交界处测点的最高温度较腹板、底腹板交界处测点稍大，这是因为腹板、底板厚度相对较小，水化热释放的热量易散失、积存的热量小，这再次说明箱梁局部尺寸变化对于水化热分布有一定影响，对于顶腹板交界处应作为重点监控对象。

表2 典型测点温度汇总表

(4)整个测试期内，箱梁内环境温度基本大于箱梁外大气温度，中梁、边梁内外最大温度差分别为8.7、9.8 ℃。

2 有限元分析

2.1 模型建立

基于有限元软件Midas Fea建立上述梁段的有限元模型来研究砼箱梁水化热温度应力的分布规律。模型实体单元网格划分以六面体为主，共建立27 058个单元，40 046个节点，箱梁有限元模型如图5所示。鉴于梁段的对称性及篇幅限制，本文只选取中梁梁段模型的相关数据进行箱梁温度应力的分析。

图5 箱梁有限元模型

2.1.1 参数设置

1)弹性模量

由温度试验知箱梁砼浇筑后前32 h温度快速上升，而后下降，选取温度下降时相应时间的弹性模量，以回归方程求出相应弹性模量。

2)密度

箱梁砼标号为C50，密度值为2.4 t/m3。

3)泊松比

砼和钢筋的泊松比均为0.2。

4)热膨胀系数

砼和钢筋的线膨胀系数分别为0.000 010、0.000 012/℃。

2.1.2 初始条件

砼箱梁内部高温源于水泥水化热。此次简化模型，按照给砼箱梁模型施加温度荷载的形式实现温度应力的分析。

2.1.3 边界条件

预制阶段砼箱梁底部相接于台座，假设其为绝热边界；应用广泛的钢模在砼散热过程中未起到隔热保温的作用，将砼近似地按在空气中来考虑其表面温度。

2.1.4 荷载施加

砼箱梁温升阶段的温度应力基本可以忽略不计，着重分析降温阶段的温度应力。本文按照给箱梁模型施加10、20、30 ℃的温度荷载的形式实现温度应力的分析，具体参数如表3所示。

表3 模型相关参数汇总

2.2 结果分析

选取中梁典型节点在不同温差作用下的单元应力，绘制出沿梁长的应力曲线，如图6～图9所示。

分析图6～图9箱梁应力分布曲线可得如下规律：

图6 中梁底板中部应力曲线

图7 中梁顶腹板交界处应力曲线

图8 中梁底腹板交界处应力曲线

图9 中梁翼缘板边缘应力曲线

温差作用下，中箱梁内的应力主要表现为拉应力；当内外温差为10 ℃时，应力最大值主要集中在跨中底板处、1/4跨的腹板与顶板交界处、1/4跨的腹板与底板交界处以及1/4跨的翼缘板边缘处，当中腹板与底板交界处在1/4跨处的应力最大。翼缘板两端及跨中局部呈现为压应力，其余均为拉应力；当内外温差为20、30 ℃时，应力分布规律同10 ℃相似，全构件主要为拉应力；应力随温差的增大而逐渐增大，分布范围也逐渐从构件的端部向跨中延伸，局部产生的较大拉应力会导致裂缝的产生，主要为腹板下部、底板跨中、翼缘板边缘等区域。

3 结论及建议

(1)砼箱梁温度场分布规律清晰明了：经历升温、降温、稳定3个阶段；箱梁顶腹交界处局部尺寸较大，积聚的水化热最大。

(2)箱梁早期应力主要为拉应力，并随温差的增大而增大。因此，箱梁砼浇筑完成后，应采取覆盖保温措施，避免箱梁内外温差过大而引起较大拉应力。

(3)适宜的温度控制系统与养护措施对于砼箱梁水化热阶段温度变化的控制卓有成效，可以有效控制箱梁早期温度裂缝的产生。此外，应根据箱梁实际情况确定合理拆模时间，以防箱梁出现干缩裂缝。