1. 概述
随着密索体系斜拉桥的出现，主梁越来越纤细，主梁横截面形式从传统的封闭式箱形断面逐步向扁平的双主肋断面演变。分离式混凝土箱梁具有抗扭刚度大、抗风性能好等优点而适用于城市斜拉桥主梁。由于分离式混凝土箱梁顶板较宽，浇筑时温度散失较快；而横隔板截面较高，水化热较大 [1] [2] 。因此，冬季施工时一方面要防止顶板混凝土出现早期冻害，另一方面还要控制温差、防止横隔板出现裂缝。提高混凝土浇筑温度可以降低早期冻害的风险，而降低混凝土浇筑温度又有利于控制混凝土水化热温差 [3] [4] 。因此，选择合理的分离式混凝土箱梁冬季施工方法，是解决防冻与防裂的主要途径。
目前，大多学者对连续刚构和连续梁桥零号块浇筑过程中的温度场研究较多，主要分析采用合理的施工方法、管冷措施等来降低零号块横隔板水化热 [5] [6] [7] [8] 。对于超宽分离式箱梁冬季施工水化热效应研究还比较少见。本文通过理论分析和现场实测对超宽分离式箱梁冬季施工水化热效应进行分析，已指导现场施工。
2. 工程背景
西一大桥主跨结构形式为120 m + 120 m预应力混凝土独塔双索面斜拉桥，主梁采用分离式混凝土箱梁开口截面，箱梁顶面全宽37.6 m，箱梁中心处梁高3.2m，标准段箱梁顶板厚30 cm，底板以及两侧边腹板厚40 cm，外侧边腹板与顶板交汇处实体段为拉索锚固区与风嘴区，合计厚250 cm，箱梁底板宽之和8 m，如图1所示。每6 m设置一道厚度为50 cm横隔梁。
主梁混凝土标号为C55，设计配合比(每立方混凝土各项材料用量)为水149 kg、水泥437 kg、矿粉15 kg、粉煤灰62 kg、砂640 kg、石子1137 kg、减水剂7.71 kg。
主梁施工采用支架现浇，标准施工节段为18 m。支架模板采用厚度为2 cm的竹胶板，冬季施工时，主梁顶面采用厚度为5 cm棉被保温。
3. 水化热效应计算原理
混凝土水化热效应计算分温度场和应力场两部分 [9] 。大体积混凝土水化热早期温度场是一个随时间t和空间内(x,y,z)变化的有内热源的瞬态温度场，其热传导方程为 [1] ：
(1)
Figure 1. Main girder cross section arrangement
图1. 主梁截面布置
式中，
为混凝土瞬时温度，℃；
为导温系数，m2/h；
混凝土比热，kJ/(kg·℃)；
混凝土密度，kg/ m3；
为混凝土单位体积释放出的热量。
由于水化作用，在绝热条件下，混凝土的温度上升速度为：
(2)
式中，
为混凝土的绝热温升，℃；
为水泥用量，kg/m3；
为单位质量水泥在单位时间内放出的热量，kJ/(kg·h)。
热传导方程建立后，为了得到确定的温度场，还要确定结构的初始条件和边界条件 [10] 。在水化热温度场分析中，初始条件为混凝土入模时的温度分布，边界条件为结构表面与周围环境的温度相互作用。通常有4类边界条件，对于箱梁水化热分析，由于热量交换均为固体与空气接触产生的传热，为第三类边界条件。即，假定经过混凝土表面的热流量与混凝土表面温度
和气温差
成正比，如下式所示：
(3)
式中，
为导热系数，kJ/(m·h·℃)；
为表面外法线方向；
表面放热系数，kJ/(m2·h·℃)。
当表面放热系数
趋于无限时，
，即转化成第一类边界条件。当表面放热系数
时，
，又转化为绝热条件。
4. 水化热温度场计算与分析
混凝土水化热温度场的计算，主要根据工程所在地的气候条件、工程的施工和养护方案及混凝土的热学性质，假设混凝土连续、均匀、各项同性，按照热传导基本理论来进行 [3] 。
4.1. 有限元模型的建立
利用有限元软件Midas FEA的水化热分析模块，建立分离式箱梁局部实体模型，通过自由体网格划分，形成单元尺寸为0.2 m的三维有限元模型，如图2所示。有限元模型共划分节点个，单元个。
4.2. 计算参数
混凝土的导热系数和比热根据试验数据确定，模型中采用
，
。
混凝土出机温
度根据各原材料的比热
、重量
和温度
按照公式(4)进行计算，入模温度
根据出机温度
、装卸混凝土次数
、运输方式及时间
、气温
等因素按照公式(5)计算确定。模型中采用混凝土入模温度为15˚C。
(4)
Figure 2. Three-dimensional finite element structure model
图2. 结构三维有限元模型
(5)
表面等效放热系数
与模板(保温层)材料的导热系数
、厚度
、表面粗糙程度、风速
有关，按照公式(6)~公式(8)计算，模型中各散热边界采用的表面等效放热系数如表1所示。
(6)
粗糙表面：
(7)
光滑表面：
(8)
混凝土水化热绝热升温与水泥品种、水泥用量、混合材料品种、用量和浇筑温度等因素有关，绝热升温
与龄期
的关系可用指数形式表示，如公式(9)所示。模型中最大绝热温度升高采用
，导温系数采用
。
(9)
4.3．温度场分析结果
浇筑一天后分离式箱梁温度场分布如图3所示，从图中可以看出横隔板温度最高，顶板温度最低。
分离式箱梁混凝土内外温度对比如4图所示，从图4中可以看出，混凝土内外温差能够控制在25℃之内，且内部最高温度不超过75℃，满足桥梁施工技术规范第6.13.2条。顶板在浇筑10天内的最低温度高于10℃，能够保证混凝土强度在达到设计强度的40%前不得受冻的要求。
为了验证有限元仿真分析的有效性，选用热电阻温度传感器(型号PT100，如图5a所示)进行主梁的温度场监测，温度测量采用配套专用采集模块(如图5(b)所示)。温度传感器测点布置如图6所示，温度传感器安装在梁段纵向受力钢筋的下缘。
以顶板温度测点4数据为例进行比较，实测温度与理论计算温度如图7所示，从图可以看出实测与理论值基本吻合，表明采用有限元模拟结果能较为真实的反应混凝土浇筑过程中温度场。通过控制混凝土入模温度和采用合理的保温措施，能有效的控制混凝土的温差裂缝。
5. 结论
分离式混凝土箱梁冬季施工时既要防止顶板混凝土出现早期冻害，要控制防止横隔板出现裂缝。通过控制混凝土入模温度及采取合理的保温措施，能够控制底板最低温度及混凝土内外温差。采用有限元
Figure 3. Temperature field of concrete after pouring
图3. 混凝土浇筑一天后温度场
Figure 4. Concrete temperature difference between inner and outside of box girder
图4. 混凝土箱梁内外温差对比
Figure 5. Field temperature acquisition. (a) Thermal resistance temperature sensor; (b) temperature measurement acquisition module
图5. 现场温度采集。(a) 热电阻温度传感器；(b) 温度测量采集模块
Figure 6. Temperature sensor measuring point arrangement
图6. 温度传感器测点布置
Figure 7. Comparison of measured roof surface temperature and theoretical value
图7. 顶板表面温度实测与理论值
Table 1. Surface equivalent heat release coefficient
表1. 表面等效放热系数
模拟能够较为真实的反应混凝土浇筑过程中温度场分布及变化情况，能够较好的指导冬季施工。