浅析预制箱梁后浇横隔墙施工中的水化热效应

　　摘要：水化热效应在模拟过程中，不仅可以对箱体温度场和应力场的分布及随时间的变化情况进行分析，而且还可以揭示水化热温度应力对预制箱体腹板外表面的受拉情况、内侧的受压情况和指出桥体在投入使用过程中容易开裂的位置;在桥梁预制施工时，要水泥品种、混合材料的用量、入模温度等3个参数对应力场的影响规律及影响程度进行了确切的分析。最终结果表明：对水化热效应的影响最大是水泥品种，其次是混合材料用量，对水化热效应的影响最小就是入模温度了。

　　关键词：预制箱梁,后浇横隔墙,水化热效应

　　引言

　　研究时所用的水泥在水化时会产生大量的热，因此它是一个放热的过程.桥梁大体积的使用混凝土，而且在浇筑和养护期间，桥体内外散热，引起内外温差，这样产生的温度应力使得桥体外部受拉，内部受压，并且当桥体的拉应力与混凝土的抗拉强度差别较大时时，容易引起开裂。桥体后期的耐久性也会受到严重一定的威胁。在预制拼装的混凝土桥梁中。通常情况下，含有横隔墙节段的吊装质量比较重，为了减轻预制节段的吊装质量，一般采取两次成型的方法，主要是先预制箱体，然后浇筑隔板，最终成型。这种情况下，横隔墙会由于现浇的混凝土体积较大，外部预制箱体对其的约束力较大，自身的散热情况较差，水化反应中产生的温度应力使得该处的箱体和隔墙发生开裂的现象。本文通过参数分析，分析比较水泥种类及其用量对水化热效应规律的影响。

　　一、水化热效应原理分析

　　经研究分析发现，混凝土内部存在一种温度场，这种水化热温度场是有内热源的瞬态温度场，热传递方式只要有两种，分别是热传导与热对流，导热量一般通过三维热传导方程计算，热传导方程中可以发现，单位质量水泥累计的水化热一般随着水泥的种类、比表面积及入模温度的不同而不同。而且，从水泥水化的意义上看，水泥水化是一种通过化学反应生成凝胶体的过程。它会引起混凝土的硬化，同时使得水化速率与混凝土的强度增长率达到一致。通过实验研究发现，在其他条件一定的情况下，水化系数在一定程度上也影响着水化的速率，特别是与入模温度的关系较为显著，存在的具体关系如表1所示：

　　其次，在研究过程中发现，混凝土内混合材料对水化热效应也存在一定的影响。通过计算发现，应力场的分布与模型周边的约束有重要的联系。

　　二、实例研究

　　由中铁三局集团有限公司承建广珠城际轨道交通工程ZH-1标跨广珠西线特大桥，采用双线双箱单室预制拼接的方法进行施工。已知，施工环境一般设为28℃，箱梁的节段横纵向尺寸为5.6m和32.6m，高度尺寸为2.233m，箱底宽度尺寸为2.8m，顶板、底板和腹板厚度尺寸分别为0.263～0.433m、0.23～0.433m、0.20～0.50m。具体如下图所示：

　　双线双箱单室简支箱梁截面图 单位：cm

　　在使用有限元软件对这样的箱梁进行分析时，应力分析方面要进行弹性应力计算，分析时还应考虑混凝土节段和模版对箱梁的约束力。所以，选取考察点时，应选择腹板内侧、中部、外侧及横隔内部等几个点的变化，随着温度的变化，内部温度也逐渐升高，逐渐比表面温度高出26度左右。在这种温度场的影响下，箱体的应力变化基本上与温度的变化保持一致、箱体的外侧主要受到拉力的作用，内部主要受到压力的作用，内外受到的拉应力压应力都有所不同;而对于箱体腹板来说，外侧受到的拉应力较大，容易产生裂缝现象;对于横隔墙的伸缩缝槽口一侧来说，受到的主要是拉力，其余地方主要以受压为主。在使用有限元软件分析时，箱梁的每个结构尺寸，使用水泥种类与入模温度都在一定条件限制下，箱体外侧与横隔墙接口处易产生裂缝。为了防止开裂的情况产生，相关人员对放热函数进行了相关参数的分析，得到每个参数对温度场所起的作用。

　　主要相关参数分析

　　(1)不同种类水泥对水化最终放热量的影响

　　不同种类的水泥影响着水化热的最终放热量。水泥熟料中的有着不同的矿物成分，而且矿物成分的水化性质决定着水泥的水化性质。其中硅酸盐水泥熟料中的硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙等四种成分对水化热的放热量影响各有不同。四种成分里铝酸三钙不仅水化放热量大而且放热的速率快，硅酸三钙次之，相比之下，硅酸二钙与铁铝酸四钙的水化热都比较低。混凝土使用水泥品种的不同影响着最终水化热的不同，不同放热量对横隔墙的竖向拉应力的影响也是不同的，具体影响如表而所示，同时水化反应中的温度场与应力场也随着水泥品种的不同影响而变得不同。

　　(2)混合材料不同用量的不同影响

　　混凝土的不同成分影响着水化热的释放，但加入不同的材料却可以改善水泥的某些性能，例如水化热的降低等等，混凝土常用的混合材料主要有粒化高炉矿渣、火山灰质材料和粉煤灰等等。

　　在研究混合材料的影响时，利用公式比较不同粉煤灰的使用量时，水化热的不同效应。特别是粉煤灰的使用量是研究的重中之重，它的含量影响着腹板与横隔墙的竖向拉应力，将水泥的部分用量替换成粉煤灰时，随着时间的变化，引起了水化热的降低，同时也减小了腹板与横隔墙的平均拉应力。具体情况如表3所示

　　(3)入模温度对水化热效应的影响

　　入模温度对水化热效应的影响是不够显著的。不同的入模温度对空气与箱梁的热交换速率也是存在差异的。当入模温度较低时，水化反应放热速度处于较慢的状态，不过到了后期，水化反应的放热速度就会明显有所增长。到了第4天左右，较低的入模温度会使腹板的最大竖向拉应力比较高入模温度下的拉应力减小一些，幅度较小。通过研究数据表明，入模温度虽然影响着箱梁的水化热效应，但比起之前的影响参数，它的影响效果相对而言是比较小的。

　　三、防止水化热效应引起箱梁开裂采取的工程措施

　　为了有效防止水化热效应引起箱梁开裂，可从以下几个方面展开相应的工作：

　　(1)采用低水化热的水泥。保证混凝土中水泥的水化热较低，通常采用低热水泥、矿渣水泥、粉煤灰水泥等三种水泥，采用这样的低水化热的水泥可以避免桥体因结构突变产生应力集中，致使桥体应力集中处产生开裂。

　　(2)用适量的混合材料代替部分水泥。当实施桥体工程时，一般选用一些适量的混合材料代替部分水泥，这样做可以有效的降低水化热。在建设桥体箱梁，腹板时，水化热较低的混合材料也才能够很好的保持桥体的稳固性。

　　(3)降低混凝土浇筑时的入模温度。虽说混凝土的入模温度对水化热效应的影响不大，但是入模温度在桥体的建设时却起着关键性的作用。降低混凝土浇筑时的入模温度能够有效的防止由于水化热效应引起的桥体开裂现象。

　　(4)加强局部构造配筋。除了几个参数对水化热起着关键性的作用，还有桥体结构的设计对水化热效应引起的开裂现象也占有重要位置。因为桥体结构的合理设计也能够有效的避免箱梁的开裂现象，提高桥体的使用寿命。

　　(5)加强外部保湿、保温措施。在桥体的早期养护中，通常要加强外部的保湿保温措施，以减少混凝土结构内外部的温差。当混凝土结构内外的温差较高时，横隔墙受到的拉应力远远大于横隔墙自身所能承受的应力，最终使得横隔墙受到损害。因此，减少混凝土内外结构的温差是防止箱梁开裂的有效措施之一。

　　结语

　　文中研究发现，采用后浇横隔墙的预制箱梁，不仅会受到箱体的约束，而且也会受到由于水化反应而产生的温度应力，导致箱体某些区域由于受到拉应力较大而发生开裂现象，因此，文中对水化热效应分析的同时，对防止箱梁开裂也提出了一系列的措施。而且，在参数研究过程发现，桥体每个部分的应力变化与温度变化基本处于一致，箱体外侧主要受到拉应力，而内部受到压力的作用。在受到的应力不同的情况下，箱体易出现开裂现象。所以，针对水化热效应可靠性进行分析，对箱体开裂现象做深入研究，对工程实践工作具有非常积极地意义。

　　参考文献

　　[1]陈扬,刘钊.节段预制箱梁后浇横隔墙的水化热效应分析[J].建筑科学与工程学报,2012/01

　　[2]刘小燕,章龙,张峰,刘智.箱梁大体积混凝土冬季施工水化热效应研究[J].湖南理工学院学报(自然科学版),2012/01

　　[3]臧华,刘钊,文武松,周新亚.苏通大桥辅桥箱梁节段水化热效应的仿真分析[J].公路交通科技.2007/05

　　本文选自《湖南工业职业技术学院学报》。 《湖南工业职业技术学院学报》由湖南工业职业技术学院主办，湖南省机械行业管理办公室主管。国内统一刊号：CN：43-1374/Z;国际标准刊号：ISSN：1671-5004。

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