混凝土斜拉桥π型主梁早期温度场测试分析.pdf

公路交通技术2 0 1 2年 8月 第4期T e c h n o l o g y o f H i g h w a y a n d T r a n s p o r t A u g 2 0 1 2 N o 4 混凝土斜拉桥 型主梁早期温度场测试分析 李琦 ， 陈骑彪 ， 王 鹏 ( 1 招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆4 0 0 0 6 7 ； 2 西南交通大学土木工程学院，成都6 1 0 0 3 1 ) 摘要 ： 重庆石忠 高速公路忠县长江大桥 主桥 为全漂浮体 系斜拉桥 ， 桥跨布置为 2 0 5 m+ 4 6 0 m+ 2 0 5 m= 8 7 0 m。对其 1 T 型混凝土主梁的桥面板、 横 隔板 、 主梁肋结构预埋元件进行混凝土早期水化热温度场测试 ， 研 究分析 实际结构 的早 期温度场及 变化规律 ， 对 龟裂纹等早期裂缝提 出防控措 施 ， 为类似桥梁混凝 土结构早期 防止裂缝及 裂缝控制研 究提 供参考。 关键词 ： 混凝 土主 梁； 水化热 ； 温度场 ； 测试 ； 裂缝 文章编号： 1 0 0 9 6 4 7 7 ( 2 0 1 2 ) 0 4 0 0 7 4 0 5 中图分类号： U 4 4 8 2 7 文献标识码 ： B Te s t a n d An a l y s is f o r Ea r l y Te mp e r a t u r e F i e ld o fn - 一 t y p e Gi r d e r s o f Co n c r e t e Ca b le St a y e d Br id g e s u Q i ，C H E N Q i b i a o ， WA N G P e n g 对国内已建成的混凝土斜拉桥调研 发现 ， 大部 分混凝土斜拉桥 1 T 型主梁施工期间已出现开裂 ， 部 分桥梁运营期间也出现 了开裂现象 ， 业 内学者对此 已开展了很多相关研究并期望找到开裂原因。国内 外的调查资料表明 ， 混凝 土工程 中因温度等变形荷 载引起的裂缝约占 8 0 以上 ， 已成为工程结构发生 开裂的主要原因。温度等变形荷载引起的裂缝主要 产生于混凝土硬化过程中， 即强度和弹性模量逐渐 增长阶段 ， 是水化热及混凝土 自身体积收缩作用下产 生的拉应力超过该龄期混凝土极限抗拉强度所致。 虽然许多研究者从理论和实践的角度对混凝土 早期水化热产生的温度场分布规律及早期开裂问题 进行了探讨 ， 并取得了不少共识 ， 但研究大部分集 中 在大体积混凝土如坝体结构防裂方面。对斜拉桥主 梁混凝土来说， 其横 断面的混凝 土厚度较坝体等结 构要小很多 ， 具有横断面不规则 以及与外 界接触面 积大的特点 ， 致使其早期温度场分布复杂 。为此 ， 本 文通过对重庆忠县长江大桥 订型主梁 的桥 面板 、 横 隔板 、 主梁肋结构预埋元件进行混凝土早期温度场 测试 ， 研究分析实际结构在早期的真实温度及变化 规律 ， 为类似 桥梁混 凝土结 构早 期 防裂 研究 提供 参考。 1 工程概 况 重庆石忠高速公路忠县长江大桥主桥为全漂浮 体系斜拉桥 ， 桥跨布置为 2 0 5 m+ 4 6 0 m+ 2 0 5 m=8 7 0 m。主梁为混凝土肋板梁 ， 顶宽 2 6 5 m， 中心线处梁 高 2 9 6 5 m， 桥面板厚 0 3 2 m， 混凝土强度 等级 为 C 5 5 。采用 H型桥塔 ， 设 2道横系梁， 将桥塔分为上 塔柱 、 中塔柱和下塔柱 3部分 。 主梁采用分节段悬臂浇筑施工 ， 标 准节段长 8 m。靠近桥塔附近的主梁体积大且应力分布复杂 ， 是类似桥梁梁体开裂较为常见部位 ， 为了能准确分 析主梁节段开裂机理 ， 选取主梁中跨侧挂篮悬浇的 2 节段作为主梁研究测试对象。主梁测试节段一般 构造见图 1 。 2 现 场测试 2 1 测点布置 混凝土斜拉桥 1 T 型主梁具有横断 面形状 不规 则 ， 与外界接触面较大等特点 ， 其早期温度场的测试 和分析相对复杂。根据结构的对称性和温度变化规 律 ， 选取研究对象节段的 1 2区域作为测试区。根 据截面特点 ， 分别在桥面板顶板 ( 1 6个测点 ) 、 横隔 板( 9个? 贝 ) 、 主梁肋 ( 5个测点) 的不 同位置布置 温度传感 器 ， 总共 3 0个测点。温度测试元 件采用 J MT 一 3 6 B温度传感器 ， 测试仪器为 J M Z X一 2 0 0 6综 合测试仪 。各测点布置及编号见图 2 。 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 3 1 1 作者简 介 ： 李琦 ( 1 9 8 0 一) ， 男 ， 四川省眉 山市人 ， 博士研究生 ， 助理研究员 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 4期 李琦 ， 等 ： 混凝土斜拉桥 叮 T 型主梁早期温度场测试分析 7 5 赠 1 6 1 4 1 2 1 0 8 6 4 2 O 暑 主 梁 1 # 节段 一 。 主梁2 节 段 主梁1 q 段 主 梁0 段 ： 7 6 0 ： r 9 3 0 ： 7 6 0 ： 8 0 0 ： 一 川 l 一 f f 1 【 l j | 厂 f 厂 1下 横 梁 | ， 一 三 ： r 、 ( a )立 面 2 6 5 0 2 7 o o ( b )A A断面 单位 ： c m 图 1 主梁测试节段一般构造 ( a )主梁 2 节段测点及断面编号 ( b )顶板测点布置 ( c )横隔板测点 布置 ( d )主梁肋测点 布置 图 2 主梁测试点布置示意 图 3 主梁测试期 间气温变化 2 2 数 据 采集 2 0 0 7年 1 2月 3 1日1 9 ： 0 0开始浇筑主梁测试节 段混凝土 ， 2 0 0 8年 1 月 1日8 ： O 0浇筑完毕 ， 浇筑持 续 1 3 h 。从 2 0 0 8年 1月 1日1 0 ： 0 0开始测试 ， 连续 测试 2 9 d 。混凝土温度测试 时间间隔为 ： 峰值以前 每 3 h测 1 次 ， 峰值 出现后每 6 h测 1 次 ， 持续 7 d ； 然后转入每 d测 2次， 直到温度变化基本稳定为止。 2 3天气 主梁浇筑完毕前 1 0 d基本为阴天 ， 之后天气逐 渐变好 ， 以晴或多云为主。特别是在前 2 0 0 h ， 温度 基本恒定在 81 4 ， 昼夜温差较小且为阴天 ， 混凝 土主梁受到太阳辐射 的温度梯度影响也较小 ， 这为 测试早期的水化热温度变 化提供 了良好 的气候 条 件。测试期 间的气温变化见 图 3 。记录表明 ， 在 3 5 0 h左右有 1 次明显的升温过程 。 3 测试结果及分析 3 1 测试 结果 把混凝土桥面板 、 横隔板、 主梁肋各测点 的实测 温度绘制成随混凝土龄期变化的曲线 ， 见图 4 。 3 2温度变化历程 从图 4可以看出 ， 温度场变化存在明显 的升温 期、 降温期、 稳定期3阶段。混凝土浇筑后温度迅速 升高 ， 各测点基本于浇筑完毕 1 3 h左右达到最高温 度， 然后逐渐缓慢降温。从最高温度到最后温度稳 定历时约 2 4 0 h ， 降温过程明显长于升温过程。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 6 公路交通技术 2 0 1 2丘 赠 0 45 4 0 3 5 3 0 萄 2 5 赠 2 0 1 5 1 O O 4 5 4 0 3 5 3 0 2 5 2 O 1 5 l 0 5 0 4 0 3 O 2 O 1 O 0 1 13 0 2 0 0 3 0 0 4 O 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 0 时间 l ( a )桥 面板 1 1横断面 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 o 时 间， I l ( b )桥 面板 2 - 2横断面 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 0 时间 l ( c )桥 面板 3 - 3横断面 0 3 5 3 O 2 5 嚣 2 0 赠 1 5 1 O 5 O 1 00 2 0 ( ) 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 时 间， h ( d )桥 面板 4 4横断面 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 0 时间 h ( e )横 隔板 1 4 测点 1 o o 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 o 0 时间， h ( f )横隔板 5 9 测点 0 1 0 0 2 00 3 0 0 4 O 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 时间， h ( j )主梁肋 l 5 测点 图 4 实测温度 随混凝土龄期变化 曲线 从图4还可以看出， 在混凝土龄期约 3 5 0 h时， 桥面板各断面内测点均有一个 升温过程 ， 主要 由外 界升温引起 ； 在混凝土浇筑龄期约 6 0 0 h时 ， 桥面板 4 4断面区域 内的测点均不同程度出现了第 2次峰 值现象 ， 与主梁 3 节段混凝土浇筑后达到温度峰值 时间基本吻合。经分析认 为是 3 节段混凝土热量 倒灌所致 。 混凝土浇筑过程持续 1 3 h ， 而横隔板 和主肋底 部是最早浇筑的结构部分 ， 所 以部分测点在开始测 试时 已接近或达到峰值温度。 3 3 温度峰值 主梁桥面板 、 横隔板和主梁肋各测点峰值温度 与经历 时 间见表 13 。桥 面板 峰值 温 度 范 围为 3 2 5 4 4 5 ， 最高温度为 4 4 5 o C； 横隔板最高温 题赠 如 加 m 0 加 m 5 0 越赠 越赠 鲫 加 如 加 m O 、 赠 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第4期 李琦 ， 等： 混凝土斜拉桥 订型主梁早期温度场测试分析 7 7 表 3主梁肋各 测点 峰值 温度 测 点 1 2 3 4 5 度为 4 3 5 ， 峰值温度范围为 2 2 7 4 3 5 q C； 主梁 肋 中心最高温度为 8 3 0 ， 峰值温度范围为 5 1 0 8 3 0 ， 位于主梁肋 1 1横断面中央。 桥面板同一断面测点 ， 无论是顶表面、 底表面或 厚度中央 ， 温度峰值大小及出现时刻相差不大( 1 测 点靠近主梁肋 ， 温度峰值相对稍 大) ； 对于横 隔板 ， 同一水平断面各测点的温度峰值大小及出现时刻也 基本一致。由此表明， 对于桥面板及横隔板 ， 由于厚 度较小且均匀 ， 因此混凝土内外温差不大 ， 平面上各 测点间的温差也很小。主梁肋峰值温度明显高于桥 面板和横隔板 ， 到达温度峰值的时间 2 测点最早 ， 为 9 h ； 位于中心的3 测点最晚 ， 为 2 5 h 。峰值温度 的产生及其出现时间符合 以下规律 ： 在相 同混凝土 配合 比和外部环境下 ， 厚度越大的混凝土结构 ， 峰值 温度越高 ， 峰值到达时间越晚。 3 4测点温差 从图4可以看出 ， 对于横隔板和主梁肋的部分 测点 ， 由于混凝土浇筑过程持续 了近 1 3 h ， 开始测试 时 ， 温度已经接近或达到较高的温度值。另外 ， 主梁 肋中部的 3 测点温度最高 8 3， 此时 ， 主梁肋位于顶 板的 l 测点与位于 中心的 3 测点最大温差达到 4 2 ， 主梁肋外侧与内部的温差达到 3 9。这一温差 必将产生较大 的温度应力而造成混凝 土早期开裂。 图5示出了混凝土浇筑完毕 2 5 h 后各测点的温度。 另外 ， 从外部天气条件看 ， 气温较为恒定 ， 混凝 土主梁受到太 阳辐射 的温度梯度影响较小 ， 几乎可 以忽略。由此可见混凝 土主梁在早 期水化 热作用 下 ， 内外温差大 ， 极易造成开裂 ， 水化热温度场作用 的重要程度可超过 日照温度梯度的效应 。 2 0 I m1 l l ! 尊 三 至 圣 耋 茎 耋 H H N n n n n 工 工 工 工 工 工 工 工 工 N N N N 测点编号 图 5 混凝土浇筑完毕 2 5 h后各测点的温度 图 6 主梁肋侧壁的龟裂纹 4主肋裂缝及防控措施 4 1 裂缝形式及成因分析 根据现场测试结果 ， 忠县长江大桥主梁肋 内外 温差最大达到 4 2 ， 远大于混凝土结构施工类规范 规定 的2 5。悬臂施工浇筑完前 2个主梁节段后 ， 现场检查发现 ， 模板拆除后主梁肋上 、 下游侧壁混凝 土外表面均出现细而小的龟裂纹 ， 裂缝方向没有 明 显规律 ， 见图 6 。 对于混凝土结构裂缝而言 ， 裂缝产生 的原 因是 多种因素的综合结果 。由调研和分析可知 ， 造成龟 裂纹的主要原因如下 ： 1 )混凝土水化热造成较大的 内外温差 ， 最终导致混凝土开裂 ； 2 )混凝 土初凝 时 间为 1 2 h ， 而混凝土节段的浇筑时间长达 1 51 6 h ， 养护不及时 ， 造成混凝土硬化过程 中严重缺水而出 现不规则的收缩裂缝 ； 3 )混凝土配合 比中水灰 比过 大 ， 导致混凝土凝结硬化时收缩量大 ， 从而使混凝土 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 8 公路交通技术 2 01 2血 表面出现不规则 的裂纹； 4 )表面气泡较多 ， 混凝土 振捣不密实 ； 5 )混凝土拆除模板 的时间过早 ， 在上 、 下游方 向风速较大的情况下 ， 混凝土失水收缩过快 ， 容易发生收缩裂缝 。 4 2防控措施及效果 综上所述 ， 建议采用 以下措施以防止混凝土主 梁产生早期裂缝 ： 1 )进一步优化混凝 土配合 比， 降 低水灰 比， 适 当延长混凝土缓凝时问 ， 严格控制骨料 中的石粉含量； 2 )严格控制混凝土绝热温升 ， 加强 并及时养护 ， 降低混凝土 内外温差； 3 )混凝 土浇筑 过程中 ， 严格控制泵送混凝土塌落度 ， 严禁随意加大 用水量以满足混凝土的可泵送性 ； 4 )严格控制混凝 土分层厚度 ， 加强混凝土振捣质量控制 ； 5 )避免过 早拆除模板 ， 模板拆除后要 注意混凝 土遮风 、 保温 、 浇水养护。 忠县长江大桥采用主梁混凝土裂缝防控措施后 ， 在后续节段混凝土施工中， 主梁肋的表面龟裂纹裂缝 得到了很好控制 ， 基本未发生裂缝或裂缝显著减少。 5结论 本文通过重 庆石忠高速公 路忠县 长江大桥 1 T 型混凝土主梁的早期温度场测试分析 ， 获取 了主梁 混凝土结构的早期温度变化和分布规律 ， 得出如下 结论。 1 )温度场变化存在 明显 的升温期、 降温期 、 稳 定期 3阶段。在相 同混凝土配合 比和施工条件下 ， 厚度越大的混凝土结构 ， 峰值温度越高 ， 峰值到达时 间越晚， 同时内外温差越大 。 2 )主梁肋的内外温差达到 近 4 0 ， 应采 取措 施防止混凝土在早期水化热作用下开裂。 3 )水化热引起 的温度等变形荷载作用是导致 斜拉桥混凝土主梁早期开裂的主要 因素 ， 其重要程 度超过 日照温度梯度的作用， 在类 似工程 的构造设 计和施工中应予以重视 。 4 )采用优化混凝土材料配合 比、 改善施工工艺及 加强养护等防控措施， 对于裂缝控制具有显著效果。 参 考 文 献 1 招商局重庆交通科研设计院有限公司 大跨径斜拉桥 关键节 段防 止混 凝 土开 裂 的控 制方 法 研 究 R 重 庆 ： 招商局重庆交通科研设计 院有 限公 司， 2 0 1 0 2 王铁梦 工程结构裂缝控制 M 北京： 中国建筑工业 出版社 ， 1 9 9 7 3 朱伯芳 大体积混凝土温度应力与温度控制 M 北 京 ： 中国电力 出版社 ， 1 9 9 9 4 彭立海 大体积混凝土温控与防裂 M 郑州： 黄河水 利出版社 ， 2 0 0 5 5 陈骑彪， 汪宏， 李琦索塔混凝土早期温度及应力 测试分析 J 公路交通技术， 2 0 1 0 ( 6 ) ： 6 4 6 7 6 王鹏， 刘孝辉， 陈骑彪， 等 水化热对斜拉桥混凝土 主塔早期开裂影响研究 J 公路交通技术 ， 2 0 0 9 ( 5 ) ： 8 3-8 9 7 王鹏 ， 王福敏， 李琦 ， 等 环境降温对斜拉桥混凝土 主塔早期开裂影响研究 J 特种结构， 2 0 1 0 ( 2 ) ： 6 6 7 0 8 李鑫 混凝土 型梁斜拉桥的温度场分析及温度效 应研究 D 湖南： 长沙理工大学， 2 0 0 9 9 葛耀君 ， 翟东， 张国泉 混凝土斜拉桥温度场的试验 研究 J 中国公路学报， 1 9 9 6 ( 2 ) ： 7 6 8 3 ( ( 0 0 ( 0 ( 0 ( ( ( 上接第 7 3页) 4 )在顶升位置与第 1 根吊杆之间应设立 1 处支撑， 建议在拱梁固结处附近设立辅助千斤顶或可调支撑， 以减小 自重作用下的弯矩 ， 确保主梁混凝土不开裂。 5 )顶升最大高度最好不要超过 8 m m， 如果确 因施工需要而不得不选择更大顶升高度 ， 建议在顶 升位置与第 1根 吊杆之 间设立 多处支撑 ， 以减小 自 重作用下的弯矩 。 参 考 文 献 1 席超波 桥梁橡胶支座常见病害分析及双控整体顶升 更换支座方法 J 中外建筑， 2 0 0 3 ， 5 ( 6 ) ： 3 6 - 3 9 f 2 于慧楠 整体同步顶升梁板更换桥梁支座的应用研究 【 j 吉林大学学报： 社会科学版， 2 0 0 7， 9 ( 3 ) ： 3 4 4 o 3 孙春刚 济青高速桥梁整体顶升更换支座施工工艺 J 城市建设理论研究， 2 0 1 1 ， 1 1 ( 3 ) ： 4 5 4 7 4 张坤桥 公路桥支座更换方法简介 J 辽宁交通科 技 ， 2 0 0 4， 7 ( 6 ) ： 3 5 - 3 7 5 孙晨晴 桥梁支座更换方法研究 J 黑龙江交通科 技 ， 2 0 0 5 ， 1 0 ( 3 ) ： 2 9 - 3 1 6 黄裕锋 桥梁支座的更换 J 中国市政工程， 2 0 0 5 ， 3 ( 7)： 4 4 4 6 7 樊叶华， 陈雄飞 基于不 中断交通的桥梁支座更换技 术研究 J 现代交通技术 ， 2 0 1 1 ， 8 ( 4 ) ： 4 3 4 5 8 赵乔平 工型梁微弯板桥梁支座的更换 J 华东公 路 ， 2 0 0 0 ， 1 ( 2 ) ： 1 5 - 1 7 9 谭诗恩 桥面整体顶升更换桥梁支座施工技术 J 中 外建筑， 2 0 0 0 ， 4 ( 1 ) ： 3 3 3 5 【 1 0 黄开宇 更换公路旧桥支座的顶升方案 【 j 中外建 筑 ， 2 0 0 5， 9 ( 3 ) ： 2 3 - 2 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m