汪 旭

(重慶大學(xué)城市科技學(xué)院，重慶 402167)

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異型箱梁截面水化熱溫度效應(yīng)研究

汪 旭

(重慶大學(xué)城市科技學(xué)院，重慶 402167)

以湘潭市某斜拉拱橋的健康檢測項目為背景，建立邊跨混凝土箱梁X1號梁段的有限元實體模型計算由水化熱引起的溫度應(yīng)力，計算結(jié)果顯示，腹板與橫隔板交界處、翼緣板外側(cè)、底板下緣處的溫度應(yīng)力超過了混凝土的極限抗拉強度，這些區(qū)域與施工監(jiān)控過程中觀測到的翼緣板外側(cè)、腹板與橫隔板交界處的早期裂縫有較好的吻合性，可以初步判斷該裂縫的成因與水化熱溫度效應(yīng)有一定的關(guān)系。

異型箱梁截面，有限元分析，水化熱，溫度應(yīng)力

0 引言

近幾年,隨著橋梁建設(shè)的飛速發(fā)展,箱梁截面得到了廣泛的應(yīng)用，箱梁截面扭轉(zhuǎn)剛度大，鋪設(shè)管道方便，越來越得到廣大設(shè)計人員的認(rèn)可。然而，隨著橋梁跨度越來越大，截面尺寸也越來越大，導(dǎo)致水泥在水化過程中產(chǎn)生的水化熱積聚在截面內(nèi)部不易散發(fā)出來，形成了較大的溫度梯度和溫度應(yīng)力，進(jìn)而引起了溫度裂縫，裂縫一旦出現(xiàn)便容易導(dǎo)致鋼筋銹蝕，從而影響結(jié)構(gòu)的耐久性，因此，箱梁截面的水化熱溫度效應(yīng)應(yīng)引起工程界的重視。

1 工程概況

本文以湘潭市某斜拉拱橋的健康檢測項目為背景進(jìn)行箱梁截面水化熱溫度效應(yīng)的研究。該橋主跨為鋼管混凝土中承式拱圈，邊跨為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土上承式拱肋，并以斜拉索輔助受力，橋梁結(jié)構(gòu)總體布置圖見圖1，邊跨箱梁截面的細(xì)部尺寸見圖2。

由圖2可以看出該箱梁的外側(cè)翼緣板較厚，導(dǎo)致水化熱更加

不易散發(fā)出來，加大了截面上的溫度梯度。實際上，該橋邊跨箱梁結(jié)構(gòu)在施工過程中便出現(xiàn)了早期裂縫，因此本文將針對邊跨箱梁結(jié)構(gòu)建立有限元實體模型，模擬水泥的水化過程，判斷早期裂縫的出現(xiàn)是否與水化熱溫度效應(yīng)有關(guān)。

2 斜拉拱橋邊跨箱梁有限元實體模型的建立

本文將選取邊跨箱梁中X1號梁段建立有限元實體模型，模擬水泥水化作用，計算水化熱溫度場與溫度效應(yīng)。X1號梁段包括4.5 m長的大體積實腹段，位于該斜拉拱橋邊跨箱梁靠近引橋側(cè)的支座位置，其有限元實體模型見圖3。

建立有限元實體模型對水泥的水化過程進(jìn)行仿真模擬時，需要定義混凝土的熱力學(xué)參數(shù)，并根據(jù)實際施工過程定義初始條件和邊界條件。

2.1 混凝土力學(xué)參數(shù)的確定

1)抗壓強度。本文采用日本規(guī)范中關(guān)于立方體抗壓強度隨時間變化情況的規(guī)定。

其中，fcu,k(t)為立方體抗壓強度隨齡期的變化；a，b，d均為水泥類型系數(shù)，普通硅酸鹽水泥a=4.5，b=0.95，d=1.11；fcu,28為28 d齡期C50混凝土立方體抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值,為50 N/mm2。

2)抗拉強度。GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中關(guān)于抗拉強度隨時間的變化情況的規(guī)定如下式所示：

其中，α2為脆性折減系數(shù)；δ為變異系數(shù)。

本文中箱梁結(jié)構(gòu)采用C50混凝土，δ為0.11，α2取0.967 5，根據(jù)上式的計算結(jié)果自行輸入混凝土抗拉強度。

3)彈性模量。GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中關(guān)于混凝土彈性模量的計算公式如下式所示：

4)收縮徐變?；炷恋氖湛s應(yīng)變和徐變系數(shù)根據(jù)“中國JTG D62—2004”的相關(guān)規(guī)定采用。

2.2 混凝土熱力學(xué)參數(shù)的確定

實際施工過程中所采用的混凝土配合比如表1所示，據(jù)此可計算出各項熱力學(xué)參數(shù)。

表1 C50混凝土的實際配合比

修正系數(shù):kc=1.05。

比熱:CC50=kc×(0.456×19.92+0.699×22.94+0.716×48.78+4.187×8.36)/100=0.998 kJ/(kg·℃)。

混凝土的密度：ρC50=2 450 kg/m3。

導(dǎo)熱系數(shù):λC50=(4.446×19.92+11.129×22.94+10.505×48.78+2.16×8.36)/100=8.746 kJ/(m·h·℃)。

導(dǎo)溫系數(shù):

熱膨脹系數(shù)為1×10-5。

2.3 邊界條件和初始條件

進(jìn)行水化熱分析時，除了定義支承邊界外，還需要定義每個接觸面的對流邊界系數(shù)。混凝土和空氣直接接觸時，其放熱系數(shù)的計算公式如下：

粗糙表面：β=23.9+14.5va或β=21.1+14.60F1.4.2。

光滑表面：β=21.8+13.53va或β=18.5+12.86F1.4.2。

其中，va為風(fēng)速，m/s；F為風(fēng)力等級；β為放熱系數(shù)，kJ/(m2·h·℃)。

當(dāng)混凝土表面附有模板或保溫層時，混凝土表面通過模板或保溫層向周圍介質(zhì)放熱。等效放熱系數(shù)βs計算方法如下：

本文中X1號梁段采用滿堂支架施工，施工過程中首先澆筑底板、腹板和實腹段，再對橫隔板和頂板兩個階段進(jìn)行澆筑，初始溫度為20 ℃，并且根據(jù)施工日志的記錄可知，混凝土澆筑時采用木模板，木模板的放熱系數(shù)為β=21.06 kJ/(m2·h·℃)，導(dǎo)熱系數(shù)為λ=0.837 kJ/(m·h·℃)，因此可以按照上式得到等效放熱系數(shù)β木模板=15.57 kJ/(m2·h·℃)。第一個施工階段與第二個施工階段的時間間隔內(nèi)混凝土暴露在空氣中，此時放熱系數(shù)β=21.06 kJ/(m2·h·℃)。另外，第二階段混凝土澆筑完畢后頂面覆蓋2 cm厚草袋進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，草袋在空氣中的放熱系數(shù)為β=38.64 kJ/(m2·h·℃)，導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.502 kJ/(m·h·℃)，等效放熱系數(shù)β保溫層=15.18 kJ/(m2·h·℃)。

3 斜拉拱橋邊跨箱梁水化熱溫度效應(yīng)分析

3.1 水化熱溫度場分析

X1號梁段縱向剖面圖如圖4所示，另取代表截面Ⅰ—Ⅰ進(jìn)行水化熱溫度場和溫度應(yīng)力的分析，截面上測點布置情況如圖5所示，Ⅰ—Ⅰ截面各測點的溫度變化情況如圖6所示。

由圖6可知：混凝土的升溫過程很迅速，在澆筑后的第1天～第3天溫度達(dá)到最大值，中心測點1-10在混凝土澆筑后的第3天溫度最高為52.22 ℃，表面測點1-3，1-7在混凝土澆筑后第1天溫度達(dá)到最高值38 ℃。

結(jié)構(gòu)降溫過程相對緩慢，并且表面測點的降溫速度比中心測點的降溫速度快，表面各測點的溫度在30 d時基本降到20 ℃，而此時中心測點1-10溫度仍在26 ℃以上，這是由于混凝土的導(dǎo)熱性能比較差導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部的水化熱不易散發(fā)，從而使截面上形成了從內(nèi)至外的溫度梯度。

另外，由圖6還可以看出，結(jié)構(gòu)中最大溫差的出現(xiàn)時間較最高溫度的出現(xiàn)時間呈現(xiàn)一定滯后性，6 d時最大溫差達(dá)29.76 ℃，30 d時仍有6 ℃的溫差。

3.2 水化熱溫度應(yīng)力分析

本文利用有限元軟件MIDAS FEA計算結(jié)構(gòu)由水化熱溫度效應(yīng)引起的混凝土主拉應(yīng)力大小，仍然選?、瘛窠孛娣治鼋Y(jié)構(gòu)表面的主拉應(yīng)力隨時間的變化規(guī)律，并與混凝土的極限抗拉強度進(jìn)行對比。Ⅰ—Ⅰ截面上各測點的溫度應(yīng)力隨時間的變化規(guī)律如圖7和圖8所示。

由圖7和圖8可以看出：溫度應(yīng)力隨著腹板高度方向高度越小，溫度應(yīng)力越小，測點1-1的主拉應(yīng)力在30 d時有最大值為5.49 MPa，另外2號～8號測點的主拉應(yīng)力均超過了混凝土的抗拉強度，極易導(dǎo)致混凝土開裂。

圖9～圖12為整個澆筑過程中X1號梁段各點產(chǎn)生的最大主拉應(yīng)力云圖。

圖9～圖12中白色等值線代表混凝土的極限抗拉強度值，等值線以內(nèi)或以外區(qū)域即為混凝土的應(yīng)力超限區(qū)域，主要包括腹板與橫隔板交界處、翼緣板外側(cè)、底板下緣，這與施工監(jiān)控過程中觀測到的翼緣板外側(cè)、腹板與橫隔板交界處的早期裂縫有較好的吻合性，因此可以初步判斷該裂縫的成因與水化熱溫度效應(yīng)有一定的關(guān)系。

4 箱梁水化熱溫控措施

混凝土一旦出現(xiàn)裂縫會影響結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性，并且裂縫的修補工作會耗費大量的人力物力，因此應(yīng)采用有效的措施避免溫度裂縫的出現(xiàn)。

箱梁的水化熱溫度效應(yīng)控制可以從以下幾方面考慮：1)箱梁的設(shè)計過程中應(yīng)注意合理優(yōu)化箱梁截面，避免出現(xiàn)局部體積過大的情況，不可避免時應(yīng)注意設(shè)置分層澆筑混凝土，從而避免一次性澆筑混凝土而帶來的水化熱積聚增大溫度梯度的現(xiàn)象。2)水泥發(fā)生水化反應(yīng)是溫升的直接原因，因此宜選擇低熱高強并具有優(yōu)良的抗拉性能的水泥，并在保證混凝土強度和流動性的前提下降低水泥用量。3)混凝土的入模溫度過高會加速水化反應(yīng)釋放更多的水化熱，因此應(yīng)采取有效措施降低混凝土的入模溫度。4)在混凝土養(yǎng)護(hù)時盡量減小內(nèi)外溫度差，如預(yù)埋冷水管做降溫處理。

[1]朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制.北京：中國電力出版社，1999.

[2]葉見曙，賈 琳.混凝土箱梁溫度分布觀測研究.東南大學(xué)學(xué)報，2002,32(5):788-793.

[3]朱伯芳.考慮溫度影響的混凝土絕熱溫升表達(dá)式.水力發(fā)電學(xué)報，2003:2(81)：69-73.

[4]周 履，陳永春.收縮徐變.北京：中國鐵道出版社，1994.

[5]朱伯芳.再論混凝土彈性模量的表達(dá)式.水利學(xué)報，1996(3):89-92.

[6]JTG D60—2004，公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范.

Study on hydration heat temperature effect of alien box girder

Wang Xu

(CityCollegeofScienceandTechnology,ChongqingUniversity，Chongqing402167,China)

Taking the health detection project of a able-stayed arch bridge in Xiangtan as the background, this paper establishs the finite element entity model of the side span concrete box girder beam’s No.X1 block to calculate the temperature stress caused by hydration heat. The results show that the temperature stress at the junction of the flange plate and the web plate, outside of the flange plate and at the bottom of the floor higher than the ultimate tensile strength of concrete. These areas have good match with the early cracks at the junction of the flange plate and the web plate and outside of the flange plate found in construction monitoring. So we can preliminary determine the cause of the cracks and has a certain relationship with hydration heat temperature effect.

alien box girder， finite element analysis， hydration heat， temperature stress

1009-6825(2015)21-0147-03

2015-05-18

汪 旭(1988- )，男，助教

U448.213

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