卢家亿 中交四航局第二工程有限公司

丁平祥 李凯 中交四航工程研究院有限公司

李伟伟 谢小明 张孙文 周友杰 中交四航局第二工程有限公司

荣乌高速为荣成到乌海段高速公路简称荣乌高速，是雄安新区“四纵三横”外围骨干高速公路网的重要组成部分，对雄安新区发挥首批交通强国建设试点先行示范作用具有重要意义。受工期影响该工程挂篮施工部分需贯穿整个河北冬期，华北地区冬期寒冷干燥，冬期施工不仅使人员配置、机械运行和生产效率受到影响，而且在严寒环境下，预应力现浇梁体混凝土由于受自身结构限制和特定施工工序影响，按以往经验很难做到养护到位，混凝土极易产生早期受冻，导致其力学性能和耐久性能劣化，严重影响工程建造质量。研究表明，混凝土中胶凝材料的水化动力随环境温度将发生较大改变，混凝土的强度与养护龄期和温度密切相关，一般认为混凝土强度是养护龄期和温度乘积的函数，反映了混凝土中胶凝材料水化进程与温度的数学公式，这就是常用的混凝土成熟度理论。成熟度理论可以用来推算不同温度下混凝土强度发展状况，但现场养护过程中会出现不同部位温度不一致现象，若选取点位温度不当会造成局部混凝土强度偏低却无法监测出来，基于此，本文借助Midas FEA有限元模拟软件，在前期大量监测数据基础之上，来建立与实体较为接近模型，通过模拟大体积混凝土内部温度场分布，明确温度较低点，结合成熟度理论推算不同部位强度情况，以此指导项目顺利施工。

1.成熟度理论及模型建立

1.1 基于成熟度理论的低温混凝土强度发展规律

本文借助荣乌高速现浇箱梁混凝土结构所用冬期配合比开展了入模温度、养护温度同为5℃、10℃、20℃的相关试验，并建立了成熟度与混凝土强度的理论计算公式，具体见表1，表2，表3及图1。

表1 养护温度与混凝土强度发展的关系表

表2 养护温度与混凝土成熟度的关系表

其中：水泥为涞水金隅冀东环保科技有限公司P.O52.5普通硅酸盐水泥；粉煤灰为山东华能德州电力实业总公司提供的F类Ⅱ级粉煤灰；矿粉河北前进冶金科技有限公司提供的S95级粒化高炉矿渣粉；细集料为张家口福泰矿业有限公司采砂场生产Ⅱ区中砂；粗集料为涞水县顺合建材有限公司生产碎石；减水剂为苏博特有限公司的聚羧酸高效减水剂。

图1中F为抗压强度，M为成熟度，由图可知混凝土的强度与成熟度关系，见式（1）：

图1 成熟度与混凝土强度的拟合公式

1.2 箱梁内部温度场模拟

荣乌高速现浇箱梁采取挂篮施工工艺，为保证冬期顺利施工，本工程采取模板电阻丝+岩棉，顶部覆盖电热毯，箱梁空腔内通蒸汽和热风炮加热，迎风面采取防风布覆盖整个箱室保温。本文前期针对现浇箱梁混凝土结构实体监测数据在反复摸索试验、调整测温点基础之上，收集大量测温数据，借助有限元模拟软件推导出了0℃以上工况下现浇箱梁混凝土结构内部温度场情况，并确定相关边界参数取值，模拟见图2；由图分析可知：现浇箱梁温度较低点为现浇箱梁端部及两侧翼板端部位置，为最为不利的结构部位，应重点加强观测。

根据项目所在地历年冬季温度统计（最冷的1月平均温度为-4.3℃），选取平均环境温度为0℃、-5℃、-10℃三种工况，利用通过工程现场温度监测数据修正的有限元数值模型，模拟环境温度为0℃、-5℃、-10℃下现浇箱梁混凝土结构内部温度场分布，并利用成熟度理论预测了箱梁温度较低点部位的强度发展。

表3 配合比信息 单位：kg/m3

图2 现浇箱梁温度场模拟

2.不同工况下现浇箱梁温度场及混凝土强度预测

2.1 环境温度为0℃时箱梁温度场的发展与混凝土强度预测

选取工况为环境温度0 ℃，入模温度20℃，电热毯为加热3d，端头模板拆除时间为1.5d，模板加热为5d。

（1）箱梁混凝土温度场分布。针对箱梁内部温度较低点，选取典型点位通过有限元数值模拟分析其温度发展状况，具体见图3、图4所示。选取点位为箱梁上部端面与空气接触点4、翼板侧面端部点6、箱梁下部端面与空气接触点11及箱梁下部端面与旧混凝土接触点13。

图3 典型点位温度图

从图3可知，箱梁温度场分布较低部位为各端面处，特别是翼板侧面端部为整个箱梁温度较低处，温度下降较快，应重点防护。

（2）混凝土强度预测。环境温度0℃时所选取点位成熟度及强度如表4、表5所示；侧边缘强度发展较慢应是重点关注对象。

2.2 环境温度为-5℃时箱梁温度场发展与混凝土强度预测

选取工况为环境温度-5℃，入模温度20℃，电热毯为加热3d，端头模板拆除时间为1.5d，模板加热为5d。

（1）箱梁混凝土的温度场。针对箱梁内部温度较低点，选取典型点位通过有限元数值模拟分析其温度发展状况，具体见图4。选取点位为箱梁上部端面与空气接触点4、翼板侧面端部点6、箱梁下部端面与空气接触点11及箱梁下部端面与旧混凝土接触点13。

从图4可知，箱梁温度场分布较低部位为各端面处，特别是翼板侧端部为整个梁体温度较低处，温度下降较快，环境温度为-5℃时翼板侧端部2.5d左右已处于0℃以下，应重点防护。

（2）混凝土强度预测。环境温度-5℃时所选取点位成熟度及强度如表6、表7所示；随着环境温度降低，从上表可看出现浇箱梁端部及侧端部强度进一步降低。

2.3 环境温度为-10℃时箱梁温度场的发展与混凝土强度预测

选取工况为环境温度0℃，入模温度20℃，电热毯为加热3d，端头模板拆除时间为1.5d，模板加热为5d。

（1）箱梁混凝土温度场分布。针对箱梁内部温度较低点，选取典型点位通过有限元数值模拟分析其温度发展状况，具体见图5；选取点位为箱梁上部端面与空气接触点4、翼板侧面端部点6、箱梁下部端面与空气接触点11及箱梁下部端面与旧混凝土接触点13。

从图5可知，箱梁温度场分布较低部位为各端面处，特别是翼板侧端部为整个梁体温度较低处，温度下降较快，当环境温度为-10℃时，浇筑2d左右翼板侧端部已处于0℃以下，应重点防护。

（2）混凝土强度预测。环境温度-10℃时所选取点位成熟度及强度如下表8、表9所示；随着环境温度变低，现浇箱梁端部及翼板端部强度随之降低。

从表中所示成熟度、强度预测值可看出来，现浇箱梁端部及翼板端部混凝土强度为整个箱梁强度较低点，且随着环境温度降低，其强度随之降低，应加强养护措施，特别是翼板处侧端部，强度更低，应进行重点关注。

表4 箱梁典型部位混凝土的成熟度

表5 箱梁典型部位混凝土的预测强度值

图4 典型点位温度发展趋势图

表6 箱梁典型部位混凝土的成熟度

表7 箱梁典型部位混凝土的预测强度表

图5 典型点位温度图

2.4 相关改善措施

从上模拟预测可知，现浇梁体端部及翼板侧端部强度较低，特别是翼板侧端部因其薄壁结构为整个梁体温度最低部位。基于以上问题提出以下相关建议：

（1）针对现浇箱梁混凝土结构翼板侧面端部温升慢、强度低的问题，建议加强翼板端部的保温加热养护，可采取覆盖棉被及内部预埋电阻丝加热等方式，并应加强端部混凝土温度的监测；

（2）根据仿真分析与强度预测结果，当环境温度低于0℃时新浇筑箱梁混凝土结构端部0.4m范围内混凝土强度较低，建议在环境温度低于0℃时端部0.6m范围内预埋电阻丝加热养护，并通过试验确定预埋电阻丝的合理间距。同时，应覆盖棉被保温或其他保温措施等，并应加强该部位混凝土温度的监测；另外，箱梁端部拆模凿毛期间，应注意端部的保温，宜边凿毛、边封盖保温；

（3）加热保温措施对保证混凝土温度、提高早期强度的意义重大，应严格遵循保温加热措施到位、保证加热养护时间。

表8 箱梁典型部位混凝土的成熟度

表9 箱梁典型部位混凝土的预测强度表

3.结论

通过室内试验5℃、10℃、20℃养护温度为5℃、10℃、20℃，建立了混凝土强度与成熟度理论模型，通过现场验证，该模型与现场混凝土养护强度相关性较强；

通过分析前期大量监测数据，通过有限元软件推算出了混凝土内部温度场分布情况，针对温度较低点，推算出了不同工况下（0、-5、-10）混凝土强度值，并结合成熟度理论计算了其5d强度，发现随着环境温度降低，翼板边缘、新旧混凝土交界处、迎风面部分位置强度较低；

针对翼板边缘、新旧混凝土交界处、迎风面部分位置强度较低工程部位，提出了相应的改善措施，以期为类似项目提供指导。