索塔混凝土早期温度及应力测试分析.pdf

公路 交通技 术 2 0 1 0年 1 2月 第 6期T e c h n o l o g y o f Hi g h w a y a n d T r a n s p o D e c 2 0 1 0 N o 6 索塔混凝土早期温度及应力测试分析 陈骑彪 1 ,2 ，汪 宏 2 ，李琦 ( 1 重庆交通大学，重庆4 0 0 0 7 4 ；2 招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆4 0 0 0 6 7 ) 摘要 ：通过对重庆市忠县长江大桥主桥 索塔节段混凝土早期温度场和应力场测试 ，分析 、总结 索塔混凝土 结构早 期温度、应力水平及变化规律，为类似混凝土结构制定具有针对性的防裂措施提供参考数据。 关键词 ：索塔 ；混凝 土；温度 ；应 力；测试 文章编 号 ：1 0 0 9 6 4 7 7 ( 2 0 1 0 ) 0 6 一 o 0 6 4 0 5 中图分类号 ：U 4 4 8 2 7 文献标识码 ：A An aly s is o f T e s t f o r E ar l y Te mp e r a t u r e a n d St r e s s o f Ca b le To we r Co n c r e t e C H E N Q i b i a o 2 ，WA NG H o n g ，L I Q i Abs t r a c t ：Ba s e d o n t he t e s t f o r e a r l y t e mp e r a t u r e fie l d a n d s t r e s s fie l d o f s e g m e n t a l c o n c r e t e o f c a b l e t o we r o n ma i n b r i d g e o f Ya n g t z e Ri v e r B r i d g e i n Z h o n g Xi a n Co u n t y C h o n g q i n g ， t h i s p a p e r a n a l y z e s a n d c o n c l u de s e a r l y t e mpe r a t ur e a nd s t r e s s l e ve l s a n d c h a ng i n g r u l e s of c a b l e t o we r c o nc r e t e s t r u c t u r e ， p r o v i d i n g r e f e r e n c e d a t a for s t i pu l a t i o n o f c o r r e s po n di ng c r a c k c o n t r o l me a s ur e s f o r s i m i l a r c o nc r e t e s t r u c t u r e s Ke y wo r ds ：c a bl e t o we r ； c o nc r e t e ； t e m p e r a t ur e ； s t r e s s ； t e s t 根据国 内外 的调查资料 ，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l 1 l。然而 ，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 ，是由水化热及混凝 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 】 。 对 国内已建成的混凝土斜拉桥调研发现，混凝 土索塔发生 开裂现象较普遍 ，严重者在混凝土施工 期 中、下塔 柱就 已出现竖 向贯穿性裂纹 。索塔混 凝土的这些早期裂缝极有可能是由温度等因素导致 的变形变化 引起的。 虽然许 多专 家从 理论和实践 的角度对混凝 土 早期温度 、应 力分布规律及早期 开裂 问题进 行 了 探讨5 - 7 ，取得 了不少共识 ，但研究较 多集 中在 大 体积混凝土如 坝体结构 防裂方面 。对 斜拉桥索塔 混凝土来说 ，虽然其横断面 的混凝 土厚度较 坝体 等结构要小很 多 ，但其横断 面的不规 则性 ，以及 与外界 的接触 面较大 ，致使其早期温度 、应力 分 布及开裂原 因远 比坝体复杂 。为此 ，本 文通过对 重庆忠县长江 大桥索塔实体结构预埋元件进行 混 凝土早期温度 场 及应力场测试 ，分析研究 实际结 构的真实温度 、 应力水平及变化规律 ，为类似 结 构物开展防裂研 究提供参考数据。 收稿 日期 ：2 0 1 0 0 6 1 5 作者简 介：陈骑 彪 ( 1 9 7 3 一 ) ，男 ，重庆市人 ，在读研究生 ，高工 1 工程概 况 重庆石( 柱) 忠( 县 ) 高速公路忠县长江大桥主桥 为 2 0 5 m+ 4 6 0 m+2 0 5 m 的双 塔双索 面斜 拉桥 ， 塔墩 以上索塔采用 “ H”型桥塔 ，高 2 0 0 m，中塔 柱为钢筋混凝土结构 ，沿高度方向设置 1 5 m间距 的构造性 防裂环形预应力( 7 1 5 2 ram) ，混凝土强 度等级为 C 5 0 。索塔采用分节段浇筑法施工 ，每节 段高度为 4 5 m。根据忠县长江大桥索塔构造特点 和施工现场实际进度计划安排 ，选取具有代表性的 l 1 墩 中塔 柱 ( 上游 侧 ) 第 3节段 ( 标 高 2 6 1 2 8 2 6 5 7 8 m) 作 为测试对象 ，其一般构造见图 1 。 2现 场测 试 2 1 测点布置 根据结构的对称性和理论分析的温度 、应力变 化规 律 ，选取研 究对象 节段 的 1 2区域作为测试 区。沿塔高方 向设置 4个测试断面 ，每个断面在混 凝土的表面和内部不 同位置同时布置温度和应力传 感器 ，共计 2 4个测点。测点布置见图 1 。 2 2 测试仪器 在满足测试要求的前提下 ，以使用可靠、经济 为原则，选择操作方便、价格适宜的仪器。温度测 试元 件采用 J MT一3 6 B温 度传感 器 ，测 试仪器 为 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年 第 6期 陈骑彪 ，等 ：索塔混凝土早期温度及应 力测试分析 6 5 9 0 8 0 7 0 6 0 魁 5 0 赠 4 0 3 0 2 0 l 0 蔫 五 2 目 B l I I n 是 ， - I U f I 9 R ( a ) 第 1 层测点布置示意 l 5 l 6 鱼 B I 翁 7 l Rl ， ! 一 I = Q 臣 Q l 虬! 三 J l A l l B A _ _ 0 I n 。 。 l 2 ( 1 一 】 一 1 1 0 1 1 0 0 1 21 3 4) l A 21 3 - 6Il OO k1 1 2 ( ( b)第 2 、3层测点 伽置示 意 塔 顶 第 4 层测 第 3 层测 第 2 层测 第 1 层测 + 甚 顶 第 4层测 第 3层测 第 2层测 第 1 层测 ( 1 2 )第 4层测点 布置示 意 ( d)剖 面 单位 ：( 1 11 1 图 l 索塔构造及测点布置示意 薰 2 一 0 图 2 2 6号测点实测温度 随混凝土龄期变化 曲线 图 3 71 2号测点实测温度 随混凝 土龄期 变化 曲线 嚣 鞣 2 0 o 1 o o 2 0 0 3 0 0 4 00 5 0 0 60 0 7 00 8 00 时l司， l1 图 4 l 3 l 8 号测点实测温度 随混凝土龄期变化 曲线 J MZ X一2 0 0 6综 合 测 试 仪 。应 力测 试 元 件 采 用 J X H 一 2型埋入式应变传感器 ，测试仪器为 s s一 型便携式数字钢弦频率接收仪 。 2 3 数据采集 混凝土在 2 0 0 7年 6月 3 0日晚 1 0点浇筑完毕 ， 各项测试在 7月 1日凌晨 1 点开始 ，混凝土应力和 温度测试同时进行 。温度测试 ：峰值前每 3 h监测 1次 ，峰值后 每 6 h监测 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。应力测 试 ：在 浇筑完成后第 1 3天 内每 3 h测试 1次 ， 8 0 7 O 6 O 5 0 越4 0 赠 3 0 2 O l O 0 图 5 1 92 4号测点实测温度随混凝土龄期变化 曲线 第 4 7天内每 6 h 测试 1 次，第 2周内每 1 2 h 测 试 1次 ，第 34周 内每 r 测试 1次。截至 7月 3 1 日，索塔节段测试和数据采集工作完成。 3 索塔混凝土早期温度测试数据及分析 索塔早期温度测点 中，除第 1 、3测点损坏外 ， 其余测点基本正常。各测点温度测试数据见图 2 5 。 1 )温度场分布规律分析。 从所测温度数据结果看 ，混凝土浇筑后 ，温度 迅速升高 ，各测点基本于 2 0 0 7年 7月 1日 1 3： O 0 嘲 一 点一 点一 点一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 公路交通技术 2 0 0生 左 右达 到最 高 温度 ，然后 逐 渐缓 慢 降 温 ，直 到 2 0 0 7年 7月 1 2日温度基本稳定。从混凝土浇筑完 成至达到最高温度约 1 5 h ，从最 高温度到最后温 度稳定 历时约 2 6 4 h ，降 温过程 明显 长于升 温过 程 。温度场变化呈现 出大体积混凝 土类似 的升温 期 、降温期、稳定期 3阶段规律。 各测点最高温度及达到最高温度经历时间如表 1 所示。从表中可 以看出，不同位置测点最高温度 不 同，温度范围为 6 1 58 1 5 ，其 中最高温度为 4号测点 ，各测点在混凝土浇筑后 1 12 3 h内达 到最高温度 ，部分测点在同一 时刻达到最高温度 。 这主要是 由于前期测量时间间隔相对较大，实际测 点达到最高温度的时 间与表中所列数据有一定差别 所致 。 经统计，混凝土内部相邻测点间同一时刻温差 最 大 出 现 在 1 8号 与 l 7号 测 点 之 间 ，温 差 为 1 7 5 ，出现在混凝土浇筑后 2 8 h 。混凝土表面测 点 与外 界大气 温差最大 出现在 8号测点 ，温差 为 4 4 。 C，出现在混凝土浇筑后 7 h 。 2 )上 、下施工节段温度场影响分析。 从图 4 、图 5可见 ，位于第 4层测点区域 内的 l 52 4号测点 ，在 混凝土浇筑龄期 2 4 0 h左 右均 不 同程度地 出现 了第 2次温度峰值现象。由于次节 段混凝土于测试节段浇筑 9 d后浇筑 ，此期间恰好 为次节段混凝土温度高峰期。可见 ，对于与次节段 相接区域 的混凝土内部温度 ，存在受次节段混凝土 热量倒灌影响的现象 。 3 )放热系数影响分析 。 第 1 层测试断面中塔壁 中心测点 ( 4号测点 ) 温 度最高 ，相对于第 4层测点 中相应位置 的 1 8号测 点 温度峰值要高 ，经分析 ：4号 、1 8号测点 除内 外侧放热系数基本相同外 ，位于第 4层 的 l 8号测 点距离节段顶面仅 0 2 r n即与外界环境接触 ，而位 于第 1 层 的 4号测点距离节段底面为 0 7 IT I ，未直 接与外界环境接触 ，2个测点 向上或 向下的放热系 数不 同 ，相对来说 1 8号测点 放热 系数更 大 ；同 时 ，4号测点由于距离前一浇筑节段较近 ，而在温 度峰值 出现 时刻 ，前一浇筑 节段混凝土 尚未进入 温度稳定期 ，内部 温度 高于外 界温度 ，使 4号测 点 内外温度梯度相对更小 。因而试验段各测点 的 温度最大值 出现在放热 系数相对 较小 的第 1 层测 点区域 内混凝 土厚度 相对较大 的侧 壁 中心 ，即 4 号测点是符合理论分析 的。 从表 1 可见 ，沿塔壁厚度方向布置的 4组测点 3 、4 、5 ， 8 、9 、1 0 ， 1 7 、 1 8 、1 9和 2 2 、2 3 、2 4 测试数据 中，塔壁表面温度与塔壁 中心温度较为接 近 ，仅 1 2 1T I 厚 塔 壁 的 中 心 与 表 面 温 差 达 到 1 7 5 。索塔内外侧表面温度 十分接近 ，说明索塔 内外侧放热 系数基本相 同，这主要是由于索塔浇筑 时外侧模板及施工支架呈封闭式 ，风速较小 ，塔壁 外表面放热系数较低 ，基本接近于内侧放热 系数 ， 但峰值出现时间总体表现为外表面测点较 内表面测 点提前 。 4 索塔早期应力测试数据及分析 根据应变测试成果进行数据处理后 ，除部分测 表 1 索塔各测点最高温度 2 0 0 3 0 0 ， 4 0 0 5 0 0 6 00 7 0 0 图 6 短 边跨 中 5号测 点实测应 力随混凝 土龄期变化曲线 1 0 5 日 0 皇一 0 5 一 - 25 罔 7 m 一。 。 。 。 。 。 ： 长边跨中9号测点实测应力随混凝土龄期变化曲线 2 5 l 5 0 5 l 5 2 = 2 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年 第 6期 陈骑彪 ，等：索塔混凝土早期温度及应力测试分析 6 7 -i - - 1 8 、 一 t 。 时 司 h 图 8 短 边跨 中 1 8 、1 9号测点实测应力 随混凝土龄期变化 曲线 点损坏外 ，索塔代表测点应力变化 曲线见图 69 ( 各测点的应力变化 曲线图中 ，拉应力为正 ，压应 力为负 ) 。 1 )应力分布规律分析 。 索塔混凝土早期 阶段 ，在温度及收缩作用下 ， 内部最大压应力为 一 4 1 MP a ，发生时 间为 5 4 2 h ， 发生位置在短边外侧 2 2号测点处 ；最大拉应力为 3 1 MP a ，发生时间为 4 0 h ，发生位置 为长边外侧 8号测点( 测试后期此点被破坏 ，未列出时程 曲线 ) 。 在整个水化热过程 中，前期最大拉应力为 3 1 MP a ， 大于相应龄期的容许抗拉强度 ，但很快降低到标准 值范围内，在整个后期( 5 0 0 h以后 ) 应力均符合规 范要求 。 2 )热量倒灌对应力影响分析。 由图 8 、图 9可见 ，第 4层测点 区域 内的 1 8 、 1 9 、2 3号 测点在混 凝土 龄期达 到 2 6 0 h左右 时 ， 出现 了不 同程度的压应力减小阶段 ，这与第 2次温 度峰值 出现时间基本 吻合 ；但在混凝土龄期 达到 3 0 0 h左右时 ，热量倒灌对混凝土应力影响逐渐减 小。由此表明，因次节段 的热量倒灌对混凝土应力 的发展过程存在影响 ，但影响程度不大。 3 )内外温差对应力影响分析 。 试 验段 各测点 中 ，温度最 大值 为 4号 测点 ， 但最大拉应力却 出现在 内外 温差最大 的 8号测点 处。同时 ，8号测点在混凝土浇筑后 7 h即出现了 最大内外 温差 ，但此点最 大拉 应力发生时 问却 为 4 0 h龄期 。分析认 为 ，最大 内外温差 出现 时刻处 于混凝土升温 阶段 ，内表混凝 土均呈现体积膨胀 状态 ，而最大拉应力 出现时刻恰好处于降温 阶段 ， 混凝土呈现体积收缩状态 ，且混凝土表面降温速 率 明显 大于 内部 。因此 ，由于 8号测点位 于第 1 层 的长边外侧 ，在混凝土 降温 收缩 阶段 因内侧及 前 一节段混 凝土 的约束而 出现 了较 大 的拉 应力 ， 但 随着 内侧混凝土及 自身混凝 土温度 降低 ，与前 * _ _ 2 2 燕 一2 3 一 4 熙 时 间 ， h 图 9 长边跨中 2 2 、2 3 、2 4号测点实测应力 随混凝 土龄期 变化曲线 一 节段 混凝 土 的温差及 内外 温度梯度 的减小 ，拉 应力很快得到释放 。 由此可见 ，混凝土的温度应力与其内部的绝对 温度值相关性不大 ，主要是取决于内外温差及升降 温速率 。内外温差越大 ，升降温速率越大，即温度 应力越大。因此 ，在混凝土升温阶段应采取内部降 温措施 ，降温阶段应采取表面保温措施 ，以降低混 凝土的内外温差和表面降温速率。且尽量缩短上下 节段混凝 土浇筑的龄期差 ，减小混凝 土收缩变形 差 ，是降低混凝土早期拉应力 ，防止混凝土表面开 裂的有效措施。同时 ，可采取在施工节段分缝处适 当增加混凝土表面防裂钢筋等措施 ，以降低混凝土 早期拉应力 ，有效防止混凝土表面开裂 。 4 )预应力效应分析。 从混凝土浇筑至预应力张拉 阶段 ( 张拉 时问为 混凝土浇筑后 4 d ) ，对应混凝土温度场 的升温期 、 降温期 2个阶段 ，在混凝土 出现温度峰值时刻基本 上呈现出应力拐点。预应力张拉 以后 ，受预应力影 响区域的测点出现应力突变现象 ，基本上均处 于受 压状态。由此可见 ，采用构造性预应力对减小索塔 混凝土 的拉应力 ，防止混凝 土开裂是非常有效 的； 但作为防裂的构造性预应力 ，应尽可能在混凝土降 温期且降温速率较大阶段 以前完成预应力施加 ，否 则混凝土已经发生开裂后再张拉预应力 ，仅能起到 抑制混凝土 已有裂缝继续扩展的作用 。 5结语 通过对重庆市忠县长江大桥索塔节段混凝土早 期温度场和应力场的测试试验和分析 ，获取 了索塔 混凝土结构的早期温度 、应力水平及变化规律。分 析认为 ，水化热引起的温度等变形荷载作用是导致 索塔混凝土早期开裂的主要因素 ，在类似工程的构 造设计 和施工 中应予以重视。 ( 下转第 7 0页) 3 2 o P d 善 倒 2 。 o 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 0 公路交通技术 2 0 1 0点 表 2 计算结果与试验结果对比 麓 。 囊 冀 曩 露 霸 隧 濯 籀 豳 瘸 疆 啊_舞掰隧鳃豳 日 日 W _ _ n _ H 日 - _ E 0 一 圈霜瞄曩瞟麟麟越黟 i 隳网霞霹礴 豳霸 霸 曩 墨 圈 暖 秘 目 灞 戮翳翳 J 盈醴鳓溺隧 目 嘲目 目 目 目目 嘲鞭两 飘黑舞黼鞠圈 霹 H 日 _ _ ， _ _ _ 一 l _ 一 嘲 一 曩 图 4 小客车行驶轨迹对 比 - 一 i _ 图5 大货车行驶轨迹对比 明有限元方法计算结果可靠 ，今后可以用 以设计和 机械T程学报， 2 0 0 3 ， 3 9 ( 1 1 ) ： 1 3 0 1 3 5 优化护栏结构，提高护栏设计的效率。 【5 】交通部公路科学研究院 J T G T D 8 1 -2 0 0 6 高速公路 交通安全设施设计细则 S 】 北京： 人民交通出版社， 2 0 0 6 6 交通部公路科学研究院 J T G f F F 8 3 一 O 1 -2 0 0 4 高速公 参 考 文 献 路 护栏安 全性能 评价标 准 S 北京 ： 人 民交 通 出版社 ， 【 1 】 中交公路规划设计院舟山大陆连岛工程金塘大桥工程 2 0 0 6 可行性研究报告【 R 北京 ： 中交公路规划设计院， 2 0 0 2 I 7 】 北京中路安交通科技有限公司金塘大桥组合式护栏仿 2 罗德龙 ， 等 组合式护栏混凝土底座坡面性能研究 J 】 公 真分析及实车碰撞研究报告【 R 1 北京 ： 北京中路安交通 路， 2 0 0 9 ( 9 ) ： 2 3 0 2 3 2 科技有限公司， 2 0 0 7 【 3 】 石红星， 等桥梁混凝土护栏设计 的研究 公路交通 8 】 北京深华达交通工程检测有限公司金塘大桥组合式护 科技 ， 2 0 0 2 ， 1 9 ( 6 ) ： 9 2 9 5 栏 实车碰 撞试验检测报告 R 】 北京 ： 北京深华达交通 工 4 黄红武， 等汽车与高速公路护栏碰撞的计算机仿真【 J J 程检测有限公司， 2 0 0 7 ( 上接 第 6 7页) 参 考 文 献 【 1 王铁梦 工程结构裂缝控制 M 北京： 中国建筑_丁业出 版社 ， 1 9 9 7 2 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 3 】 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 【 4 j 马春生， 王萍 某大桥桥塔裂缝成因分析 J 公路， 2 0 0 2 ( 8 ) ： 4 4 4 7 5 】 张树青 ， 等混凝土早期抗裂性与强度的关系 J 】 _ 混凝 土与水泥制品 ， 2 0 0 3 ( 3 ) ： 6 8 【 6 】 许金鼓高强混凝土早期开裂研究评述f J 福建建筑 ， 2 0 0 6 ( 4 ) ： 5 0 5 2 7 王甲春， 阎培渝 早龄期混凝土结构的温度应力分析 J 】 I 东南大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 5 ， 3 5 ( A 0 1 ) ： l 5 1 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m