■肖成勇，姜 鵬 ■重慶交大道路橋技術(shù)研究有限公司，重慶 400060

蘭新鐵路第二雙線(新疆段)全長713.4km，設(shè)計時速200km/h以上，沿線穿越多種特殊地段和區(qū)域，氣候復雜多變，晝夜溫差巨大;冬季寒冷，夏季炎熱，屬于大溫差地區(qū)。在大溫差的影響下，混凝土結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生巨大的溫度應(yīng)力，導致混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性下降，甚至破壞。

混凝土結(jié)構(gòu)澆筑成形的過程中，水泥水化放熱和環(huán)境溫度變化導致混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，使混凝土產(chǎn)生巨大的溫度裂縫，危及混凝土結(jié)構(gòu)的安全［1］。因此，研究并控制混凝土橋墩結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的產(chǎn)生的原因，避免橋墩產(chǎn)生裂縫，提高橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性，延長結(jié)構(gòu)物使用壽命，對高速鐵路建設(shè)的工程質(zhì)量具有重要的意義。

混凝土橋墩的斷面尺寸比較大，混凝土澆筑成型后，由于水泥顆粒的水化作用，內(nèi)部溫度急劇上升，此時混凝土硬化還沒有完成，彈性模量較小，徐變很大，升溫引起的壓應(yīng)力并不大;但隨著溫度逐漸降低，混凝土硬化基本完成，彈性模量增大，徐變慢慢減小，在混凝土自身變形的約束條件下會產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力;混凝土橋墩表面與大氣環(huán)境接觸，一年四季中大氣溫度交替變化在大體積混凝土結(jié)構(gòu)中會引起巨大的溫度應(yīng)力。鐵路規(guī)范《鐵路橋涵施工規(guī)范》(TB 10203－2002)規(guī)定:當混凝土溫度與環(huán)境溫度之差大于25℃時，應(yīng)按大體積混凝土施工，并應(yīng)采取降溫措施［2］?！豆窐蚝┕ぜ夹g(shù)規(guī)范》(JTJ041－2000)規(guī)定:現(xiàn)場澆注的最小邊尺寸為1～3m且水化熱對結(jié)構(gòu)引起的溫差超過25℃的混凝土稱為大體積混凝土。

本文采用有限元軟件midas進行分析，模擬大溫差的環(huán)境條件下混凝土橋墩的溫度場和應(yīng)力場。分析了混凝土橋墩在采取保護措施情況下的溫度場和應(yīng)力場，為混凝土的溫度應(yīng)力分析提供計算依據(jù)。在有條件的地區(qū)澆筑了試驗墩，通過對試驗墩的溫度場監(jiān)測，了解混凝土結(jié)構(gòu)實際條件下的溫度場情況。

1 試驗墩分析模型的建立

采用有限元分析軟件midas對混凝土橋墩的溫度和應(yīng)力進行仿真分析，計算試驗墩的溫度場和溫度應(yīng)力場。計算中考慮了混凝土水化熱溫升變動、徐變、澆筑溫度、對流邊界條件、重力荷載等因素。

1.1 試驗墩模型的基本參數(shù)

試驗墩模型分為兩部分組成，第一部分為試驗墩基礎(chǔ)，采用C25的素混凝土澆筑，混凝土材料屬性參照國標“JTG04”基礎(chǔ)澆筑時間較早，主要是用于承載試驗墩自重荷載，材料參數(shù)見表1。第二部分為混凝土試驗墩，采用C35的素混凝土澆筑，考慮其水化作用的影響，材料參數(shù)見表1。

表1 有限元模型材料參數(shù)

混凝土試驗墩墩體所采用的C35混凝土，配合比見表2所示。試驗墩墩體混凝土同條件養(yǎng)護試件的試驗結(jié)果見表3。

表2 橋墩墩體C35混凝土配合比

表3 橋墩墩體C35混凝土同條件養(yǎng)護試件的試驗結(jié)果

1.2 模型的建立

試驗墩模型資料所示，試驗墩高4m，長6m，寬2m，兩端呈半圓形。試驗墩底部為0.3m的混凝土基礎(chǔ)，基礎(chǔ)長7m，寬3m。在midas建模過程中，考慮到曲邊劃分單元格的不方便且精確度不高。將試驗墩的模型呈半圓形的兩端用直邊替換，模型體積約有減小，不影響分析的結(jié)果。模型共劃分單元2720個實體單元。

1.3 初始條件和邊界條件

(1)環(huán)境溫度參數(shù)?；炷猎囼灦罩車h(huán)境復雜，影響因素多，包括日照、大風、大氣溫度等［3、4］;midas中環(huán)境溫度可以直接將已經(jīng)測試好的環(huán)境溫度輸入到midas界面當中。輸入的時間單位為h，溫度單位為℃。試驗墩混凝土在2010年6月7日凌晨0：55分完成澆筑混凝土，澆筑初始溫度為15.2℃。采用鉑電阻溫度傳感器在試驗墩外表面采集環(huán)境溫度，溫度測試時間從第三個小時開始，共測試296個小時。

(2)放熱系數(shù)。試驗墩混凝土溫度場計算考慮第三類邊界條件，固體表面在空氣中的放熱系數(shù)(對流系數(shù))β受到環(huán)境溫度、混凝土的溫度、混凝土表面形狀、風速、日照等因素的影響。在midas中主要考慮混凝土與空氣之間的綜合放熱系數(shù)。放熱系數(shù)β與表面形狀、風速、周圍空氣溫度等因素有關(guān)。

風速風向?qū)τ谠囼灦漳Ｐ偷膶α鳠峤粨Q系數(shù)影響較大，但風速與風向是隨時間變化的，并且受到很多偶然因素的影響［5］，因此準確估計風速的日過程幾乎是不可能的。

河海大學馬躍峰博士利用反演參數(shù)計算的方法，結(jié)合風速試驗結(jié)果，建立暴露混凝土的表面熱交換系數(shù)β與風速va的關(guān)系［5］:

工程上常用的經(jīng)驗公式還包括:

風速風向?qū)τ趯α鹘粨Q系數(shù)的影響較大，但風速與風向是隨時間變化的，并且受到很多偶然因素的影響，因此準確估計風速的日過程幾乎是不可能的。新疆烏魯木齊地區(qū)平均氣溫6.9℃，最高氣溫31.3℃，最低氣溫－31.9℃，最冷月平均氣溫 －10.5℃，最大風速34.9m/s。溫度測試期間風速為0～5m/s，簡單考慮取日平均風速為2m/s。對流系數(shù)采用確定為β=19.49+13.53×2=46.55。參數(shù)β為測試期間的放熱系數(shù)平均值，表示在溫度監(jiān)測期間混凝土試驗墩暴露在空氣當中與大氣進行熱交換的速率。

1.4 保溫層的參數(shù)化模型

當混凝土表面附有保溫層材料時，有限元計算模型考慮將保溫材料考慮與混凝土表面緊密連接，將保溫材料直接加入的試驗墩有限元模型中，分析組合模型的溫度場和溫度應(yīng)力場。這種計算方法的優(yōu)點是在有限元計算過程能夠直觀的將保溫材料加入計算過程，能夠反應(yīng)保溫層厚度變化對試驗墩模型計算的影響;缺點是由于混凝土與保溫材料之間是無法實現(xiàn)緊密連接，存在混凝土與空氣之間的熱交換和保溫材料與大氣的熱交換。

考慮高效保溫材料包裹在混凝土試驗墩表面，試驗墩表面包裹一層3cm橡塑板，橡塑板主要是由泡沫塑料加工制成。橡塑板的導熱系數(shù)為0.035，厚度為3cm。表面放熱系數(shù)根據(jù)河海大學馬躍峰博士推導模型，β=19.49。將各個參數(shù)代入模型中，計算模型的溫度場情況。

2 模型計算結(jié)果分析

采用有限元軟件midas計算模型，將混凝土試驗墩模型劃分為5h、30h、50h、80h、95h、110h、135h、160h、230h、280h、296h 十一個水化熱施工階段。檢查不同時間的混凝土試驗墩的溫度場。

覆蓋有保溫層的試驗墩模型第一階段5h，中心剖面溫度場情況?；炷猎囼灦諠仓尚?小時，混凝土水化放熱時間較短，內(nèi)部的溫度不高，只有32.9℃，混凝土水化不充分，內(nèi)部溫度比環(huán)境溫度略高。

覆蓋有保溫層的試驗墩模型在80小時，混凝土中心剖面溫度場情況?；炷链藭r的最高溫度為81.2℃，由于混凝土是熱的不良導體，混凝土水化放熱，內(nèi)部又無法與大氣進行充分的熱交換，導致熱量堆積，出現(xiàn)了一個溫度的峰值。此時，混凝土內(nèi)部的溫度梯度變化明顯，形成了一個不均勻的溫度場。試驗墩在受到保溫層的保護，溫度梯度減小，混凝土內(nèi)部溫度梯度為7.0℃。

由于在實際的試驗墩溫度檢測過程中，試驗必定在是有限時間段進行的。試驗墩的溫度檢測進行了296h，因此，有限元模型也考慮296h為最終水化熱施工階段。資料所示，試驗墩模型在296小時，溫度場區(qū)域緩和，溫度梯度明顯減小。

為試驗墩模型關(guān)鍵節(jié)點編號，將各個節(jié)點的溫度繪制成圖，中心節(jié)點1704號點最高溫度為81.2℃，出現(xiàn)的時間為混凝土水化80h。各個節(jié)點溫度曲線與沒有覆蓋保溫材料的模型曲線相比有較大的差別，在邊緣的各個節(jié)點處的溫度變化曲線要比沒有覆蓋保溫材料的模型曲線平緩了許多，說明混凝土在邊緣的各個節(jié)點的溫度受到大氣溫度的影響明顯減小。邊緣上各個節(jié)點溫度與中心節(jié)點溫度之間的溫度差也明顯減小，降低了溫度梯度。

5小時混凝土中心剖面應(yīng)力場情況，混凝土此時的溫度應(yīng)力很小，只有在橋墩與基礎(chǔ)的新老混凝土的界面上出現(xiàn)很小的應(yīng)力。

95小時混凝土中心剖面應(yīng)力場情況，最大溫度應(yīng)力為1.98Mpa，為拉應(yīng)力，小于混凝土的允許抗拉強度值，混凝土結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)裂縫。最大應(yīng)力位置為橋墩的剖面中部，此處混凝土中心節(jié)點距離大氣的距離最長。

3 試驗墩溫度場監(jiān)測方案

試驗墩溫度場檢測采用在混凝土試驗墩內(nèi)部埋設(shè)Pt100的鉑電阻溫度傳感器的方法檢測試驗墩在澆筑完成后一段時間內(nèi)的溫度場。試驗墩澆筑完成時間為2010年6月21日16：20，混凝土入模溫度28.4℃。試驗墩混凝土溫度監(jiān)測于2010年6月21日0時30分開始，中心溫度為29.7℃，邊沿溫度為27.9℃，溫度差為3.7℃，距離混凝土澆筑完成約3小時。

為根據(jù)實際溫度場監(jiān)測數(shù)據(jù)所得中心點和13號點、14號點三點的溫度隨齡期變化曲線。中心點的溫度要高于位于中心點下方的13號點和位于中心點下方的14號點的溫度，中心點最高溫度為71.8℃。將圖4.12中心點的曲線與圖3.20中的中心點通過midas計算得到的曲線進行比較，可以發(fā)現(xiàn)兩個曲線的相似的很高，但是有限元計算的結(jié)果要趨于緩和些，說明采用midas－civil計算的模型與實際的情況還是存在差別，特別是使用高效保溫材料的情況下，采用橡塑板的二號墩，橡塑板不可能像理想模型狀態(tài)與混凝土密貼在一起，使得計算結(jié)果產(chǎn)生差別。

曲線可以發(fā)現(xiàn)，在混凝土澆筑的55小時內(nèi)，混凝土內(nèi)部以升溫為主，混凝土與大氣的熱交換有限，混凝土不斷水化放熱，超過55h后，混凝土放熱趨于緩慢，混凝土的溫度場主要由混凝土與大氣的熱交換來決定，混凝土與大氣的熱交換越充分，則混凝土內(nèi)部溫度的變化曲線越劇烈，混凝土的溫度梯度越大，溫度應(yīng)力越大。

為根據(jù)實際溫度場監(jiān)測數(shù)據(jù)所得中心點和13號點、14號點三點的溫度隨齡期變化曲線。中心點的溫度要高于位于中心點下方的13號點和位于中心點下方的14號點的溫度，中心點最高溫度為71.8℃。將圖4.12中心點的曲線與圖3.20中的中心點通過midas－civil計算得到的曲線進行比較，可以發(fā)現(xiàn)兩個曲線的相似度很高，但是有限元計算的結(jié)果要趨于緩和些，說明采用midas－civil計算的模型與實際的情況還是存在差別，特別是使用高效保溫材料的情況下，采用橡塑板的二號墩，橡塑板不可能像理想模型狀態(tài)與混凝土密貼在一起，使得計算結(jié)果產(chǎn)生差別。

曲線可以發(fā)現(xiàn)，在混凝土澆筑的55小時內(nèi)，混凝土內(nèi)部以升溫為主，混凝土與大氣的熱交換有限，混凝土不斷水化放熱，超過55h后，混凝土放熱趨于緩慢，混凝土的溫度場主要由混凝土與大氣的熱交換來決定，混凝土與大氣的熱交換越充分，則混凝土內(nèi)部溫度的變化曲線越劇烈，混凝土的溫度梯度越大，溫度應(yīng)力越大。

4 結(jié)論

(1)采用有限元軟件midas計算試驗墩模型溫度場，結(jié)果表明試驗墩中心節(jié)點最高溫度為81.2℃，內(nèi)部最大溫度梯度為7.0℃。最高溫度出現(xiàn)在混凝土水化80h時。模型中心節(jié)點的溫度曲線較為平緩，在0～80h，試驗墩內(nèi)溫度梯度逐漸擴大，80h時，溫度梯度達到峰值;80h后，試驗墩內(nèi)溫度梯度逐漸減小。

(2)采用有限元軟件midas計算試驗墩模型應(yīng)力場，結(jié)果表明試驗墩最大溫度應(yīng)力為1.98MPa，為拉應(yīng)力，小于混凝土的允許抗拉強度，混凝土結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)裂縫。

(3)根據(jù)實測試驗墩模型結(jié)果，實測的試驗墩溫度場與模擬計算較為吻合，兩者溫度曲線相似。

［1］勞宇.混凝土水化熱溫度損傷研究［D］.南京:河海大學.2006.

［2］中華人民共和國鐵道部標準.鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范(TBJ2－85)第一版［M］.北京:鐵道出版社，1985，101－121.

［3］張宇鑫.大體積混凝土溫度應(yīng)力仿真分析與反分析［D］.大連理工大學.2002.

［4］彭友松.混凝土橋梁結(jié)構(gòu)日照溫度效應(yīng)理論及應(yīng)用研究［D］.西南交通大學.2007.

［5］馬躍峰.基于水化度的混凝土溫度與應(yīng)力研究［D］.南京:河海大學.2006.