趙日煦，宋正林，楊文，龐二波

（中建商品混凝土有限公司，湖北 武漢 430074）

江漢六橋C50預應力自錨跨箱梁溫度場計算及溫控措施

趙日煦，宋正林，楊文，龐二波

（中建商品混凝土有限公司，湖北 武漢 430074）

結(jié)合武漢市第一座自錨跨斜拉橋工程現(xiàn)澆預應力混凝土自錨跨箱梁的結(jié)構(gòu)特點，采用 ANSYS 對自錨跨箱梁混凝土結(jié)構(gòu)進行了溫度場和應力場數(shù)值計算，并根據(jù)計算結(jié)果，通過對結(jié)構(gòu)采取埋設循環(huán)冷卻水管、覆蓋保溫材料等溫控措施，降低了結(jié)構(gòu)出現(xiàn)溫度裂縫的風險，結(jié)構(gòu)實際澆筑效果良好，沒有出現(xiàn)明顯裂縫，提高了結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性。

溫度應力場；溫度應力；溫控措施；箱梁

預應力混凝土箱梁是橋梁的主要受力構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)尺寸隨著橋梁工程的發(fā)展而逐漸變大，屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，在混凝土溫度的作用下，容易產(chǎn)生溫度裂縫，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷破壞，直接威脅到整個橋梁的使用功能和服役壽命[1-3]。

武漢市江漢六橋是武漢市第六座跨漢江通道，位于江漢五橋（長豐橋）和江漢二橋之間，工程起于古田二路與解放大道交叉口以北，終點接郭琴路，主線橋梁全長 3050.1 米，主橋采用 48＋57＋110＋252＋110＋57＋48＝682 米的 7 跨自錨式懸索橋，跨江主梁采用鋼箱梁和預制混凝土橋面板結(jié)構(gòu)，在主橋箱梁鋼混結(jié)合段兩側(cè)設有現(xiàn)澆預應力混凝土自錨跨箱梁結(jié)構(gòu)，南北錨跨箱梁各段全長均為 48＋57＋16.5＝121.5 米，橋面寬 44 米，最大厚度達 6.6 米，鋼筋最小凈距為 4.2cm，混凝土設計強度等級均為 C50，單次澆筑方量3500 方以上。根據(jù)該工程結(jié)構(gòu)特點和施工安排，要求混凝土7d 抗壓強度和彈性模量不低于設計值的 90%，因此，為了防止混凝土溫度裂縫的產(chǎn)生，保證結(jié)構(gòu)整體性、耐久性，必須對大體積混凝土進行溫度控制，降低溫度應力對混凝土產(chǎn)生的損害。

1 混凝土配合比

根據(jù) JTG/T F50—2011《公路橋涵施工技術規(guī)范》中的相關規(guī)定，結(jié)合既往橋梁工程實際經(jīng)驗[2-4]，采用正交設計法進行配合比設計，并經(jīng)過多次試驗驗證，確定混凝土配合比見表1，混凝土性能見表2。

表1 自錨跨箱梁 C50 混凝土配合比

表2 自錨跨箱梁 C50 混凝土配合比物理力學性能

2 溫度應力場數(shù)值分析

為了評價自錨跨 C50 大體積混凝土的溫度和應力隨著養(yǎng)護齡期的發(fā)展規(guī)律，采用 ANSYS 對其進行溫度場和應力場數(shù)值分析。

混凝土箱梁水化熱溫度場實質(zhì)上是一個三維非穩(wěn)態(tài)溫度場問題，采用三維有限元實體模型進行模擬計算，符合實際[5-6]?；炷料淞哼吔绱嬖诳諝夂突炷恋臒釋α?，屬于熱分析中的第三類邊界條件?；炷料淞翰捎娩撃０?，由于其導熱性能良好，可忽略其對混凝土箱梁表面與大氣之間熱交換的影響。對流邊界條件可作為面荷載施加于箱梁外表面和內(nèi)表面，具體加載形式為氣溫日變化余弦公式（結(jié)合實測環(huán)境溫度），并考慮混凝土表面放熱系數(shù)。分析模型和單元劃分如圖1 所示，其中，y 軸方向為豎向，x 軸為順橋向，z 軸為橫橋向。

圖1 自錨跨分析模型和三維網(wǎng)絡劃分

2.1 溫度場數(shù)值分析

經(jīng)過采用 ANSYS 數(shù)值模擬計算，自錨跨 C50 大體積混凝土 3d 齡期的溫度云圖分布如圖2、圖3 所示，受篇幅所限，故只列出整體溫度云圖和靠近中心位置 5-5 剖面的溫度云圖，自錨跨中心點與上、下表面溫度等關鍵點溫度時程發(fā)展曲線如圖4 所示。

圖2 3d 齡期整體溫度分布云圖

圖3 3d 齡期 5-5 剖切面溫度分布云圖

圖4 關鍵節(jié)點溫度發(fā)展規(guī)律（橫坐標為時間/h，縱坐標為溫度/℃）

圖2 和圖3 的溫度場分布圖中表明，自錨跨箱梁結(jié)構(gòu)中心及剖切面中帶挖空部位的溫度最高。由于散熱邊界的存在，自錨跨箱梁內(nèi)部各位置處的溫度達到最高值的時間存在一定差異，其中心點溫度最高值出現(xiàn)在齡期為 3～5d 之間，邊沿溫度最高值出現(xiàn)時間較中心點略早，約出現(xiàn)在 2d。自錨跨上表面溫度低于下表面溫度，這是因為上表面散熱比下表面散熱速率快。

圖4 的關鍵節(jié)點溫度發(fā)展規(guī)律表明，自錨跨箱梁結(jié)構(gòu)上表面溫度在澆筑 1d 后，其溫度與中心點溫度之差已經(jīng)超過25℃，下表面在澆筑 2d 后，其溫度與中心點溫度之差已超過25℃，超出《大體積混凝土施工規(guī)范》標準的要求。必須采取措施降低中心溫度或在保濕養(yǎng)護時候，采取麻袋覆蓋灑水保濕等措施，保濕、控溫應同步控制。

2.2 應力場數(shù)值分析

采用 ANSYS 對自錨跨 C50 大體積混凝土進行溫度應力計算，計算參數(shù)見表3，根據(jù) GB 50496—2009，混凝土彈性模量的時程變化公式采用式 (1) 進行計算[7]。

表3 自錨跨 C50 大體積混凝土應力場計算邊界參數(shù)

式中：Et——齡期為t時混凝土的彈性模量，Gpa；

t——為齡期，d。

經(jīng)過采用 ANSYS 數(shù)值模擬計算，自錨跨 C50 大體積混凝土 3d 齡期的第一主應力分布云圖分布如圖5、圖6 所示，受篇幅所限，故只列出整體第一主應力分布云圖和靠近中心位置 5-5 剖面的第一主應力分布云圖。結(jié)構(gòu)關鍵點第一主應力時程發(fā)展曲線如圖7 所示，由于采用智能網(wǎng)格劃分，無法提取模型的正中心節(jié)點，因此，曲線圖上的最大壓應力與云圖上的最大壓應力有出入，三條曲線從上到下依次為上表面、靠近中心點與上表面之間、下表面。

圖5 和圖6 的溫度場分布圖及圖7 關鍵節(jié)點應力發(fā)展規(guī)律表明：自錨跨箱梁結(jié)構(gòu)的上下表面的拉應力均較大，具有較高的開裂風險，且下表面的開裂風險高于上表面；因此對上、下表面須同時采取有效的養(yǎng)護措施。結(jié)構(gòu)拉應力 3d 齡期較小，7d、14d 齡期顯著增大，隨著降溫段的出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)內(nèi)外降溫速率不一致，溫度差產(chǎn)生的拉應力增大明顯，因此，在結(jié)構(gòu)降溫段應嚴格注意養(yǎng)護。

圖5 3d 齡期第一主應力整體云圖

圖6 3d 齡期 5-5 剖切面第一主應力云圖

圖7 關鍵節(jié)點應力發(fā)展規(guī)律（橫坐標為時間/h，縱坐標為應力/MPa）

根據(jù)《大體積混凝土施工規(guī)范》，C50 混凝土的 28d 抗拉強度標準值為 2.64MPa，按照 GB 50496—2009《大體積混凝土施工規(guī)范》附錄公式（B.7-1）計算可知在 3d 齡期，混凝土的抗拉強度為 1.57MPa，但根據(jù)圖7 有限元計算結(jié)果顯示，3d 齡期的拉應力已經(jīng)達到 2MPa 以上，已經(jīng)超出混凝土的抗拉強度，必須早期就開展養(yǎng)護措施。

3 溫控措施和實際效果

根據(jù)采用 ANSYS 進行的溫度應力場數(shù)值計算，可以發(fā)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)存在較高的溫度裂縫風險，因此，根據(jù)計算結(jié)果，在箱梁斜腹板和實心段處埋設了循環(huán)冷卻水管，在混凝土澆筑完畢之后，通入冷卻水從內(nèi)部對結(jié)構(gòu)進行降低混凝土的溫度；在施工澆筑過程中，隨澆筑隨覆蓋土工布和塑料薄膜，從外部對結(jié)構(gòu)進行保溫和保濕養(yǎng)護。在自錨跨箱梁的斜腹板和實心段埋設測溫點，根據(jù)測溫結(jié)果對混凝土進行監(jiān)控，并反饋養(yǎng)護措施。

在整個江漢六橋項目 C50 自錨跨箱梁混凝土生產(chǎn)澆筑過程中，嚴格按照既定施工方案對混凝土澆筑工程和質(zhì)量進行控制。對拆模后的箱梁結(jié)構(gòu)進行觀察，混凝土結(jié)構(gòu)整體性良好，無明顯裂縫。表明，雖然混凝土本身具有較高的溫度裂縫風險，但是可以通過采取一定的技術手段，從結(jié)構(gòu)內(nèi)部和外部同時進行控制，能夠?qū)L險降低，提高混凝土結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性，滿足結(jié)構(gòu)設計需要。

4 結(jié)論

（1）通過 ANSYS 數(shù)值分析，混凝土結(jié)構(gòu)中心點溫度在澆筑后 3～5 天時間內(nèi)達到最高值，內(nèi)外溫差和結(jié)構(gòu)表面溫度超過了規(guī)范要求，應進行降溫保濕養(yǎng)護。

（2）通過 ANSYS 數(shù)值分析，在 3d 齡期混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉強度低于收縮應力，具有較高的開裂風險，應在早齡期及早采取相應的養(yǎng)護措施。

（3）根據(jù) ANSYS 的數(shù)值分析結(jié)果，采取了埋設循環(huán)冷卻水管、覆蓋土工布和塑料薄膜等降溫、保溫保濕措施，降低了混凝土的開裂風險，混凝土實際澆筑效果良好，結(jié)構(gòu)無明顯裂縫。

（4）采用 ANSYS 對混凝土結(jié)構(gòu)進行溫度應力場進行數(shù)值分析，對施工養(yǎng)護具有較高的指導意義。

[1] 秦鴻根，孫偉，張亞梅．蘇通大橋不同結(jié)構(gòu)部位高性能混凝土配合比與應用研究[J]．商品混凝土，2010(10): 55-59．

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[5] 龐二波，王艷，羅作球．天津高銀117大廈底板溫度場數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測[J]．施工技術，2003(18): 28-30．

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[7] GB 50496—2009．大體積混凝土施工規(guī)范[S]．

［通訊地址］湖北省武漢市華光大道 18 號高科大廈 16 樓中建商品混凝土有限公司華中分公司技術部（430074）

The numerical analysis of temperature and stress fields and control measures for C50 prestressed box girder in Han Jiang 6th Bridge

Zhao Rixu, Song Zhenglin,Yang Wen, Pang Erbo
(China Construction Ready-mixed Concrete Co., Ltd., Wuhan Hubei 430074, China)

According to the structural characteristics of the prestressed box girder in wuhan first self-anchored cable-stayed prestressed concrete bridge, numerical analysis of temperature and stress fields in concrete construction has been carried out by means of ANSYS, and based on the results, the temperature control measures such as circulating cooling water pipe, covering insulation materials, which can reduce the risk of temperature cracks in construction, have been applied to the construction. And the actual result show that the obvious cracks in box girder is rarely, the globality and durability of box girder is well.

temperature and stress fields; thermal stresses; temperature control measures; box girder

宋正林（1985—），中建商品混凝土有限公司華中分公司，碩士研究生。