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(中鐵十局集團(tuán)有限公司, 山東濟(jì)南 250101)

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連續(xù)梁合龍段水化熱溫度研究

常亮

(中鐵十局集團(tuán)有限公司, 山東濟(jì)南 250101)

【摘要】高性能混凝土在澆筑后發(fā)熱速度快，發(fā)熱量高，在澆筑早期容易引起較大的內(nèi)外溫差，導(dǎo)致表面產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，容易引起混凝土裂縫，因此在澆筑時(shí)要考慮水化熱的影響。論文以某連續(xù)梁合龍段箱梁截面為研究對(duì)象，在箱梁中埋設(shè)溫度傳感器，并用Midas有限元軟件建立水化熱模型進(jìn)行水化熱分析。

【關(guān)鍵詞】箱梁;水化熱;有限元模型

隨著我國(guó)交通事業(yè)的快速發(fā)展，大量的連續(xù)箱梁橋正在建設(shè)，且橋梁混凝土越來(lái)越多地采用高性能混凝土，高性能混凝土在澆筑后發(fā)熱速度快，發(fā)熱量高，在澆筑早期容易引起較大的內(nèi)外溫差，導(dǎo)致表面產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，容易引起混凝土裂縫[1]。箱梁一旦出現(xiàn)表面裂縫或貫穿性裂縫，將會(huì)對(duì)其結(jié)構(gòu)的整體性、安全性和耐久性造成很大的影響，因此在澆筑時(shí)要考慮水化熱的影響，以有效防止裂縫，保證工程質(zhì)量[2]。

1溫度監(jiān)測(cè)

1.1工程概況

某(60 m+100 m+60 m)連續(xù)梁全長(zhǎng)221.5 m(含兩側(cè)兩端至邊支座中心各0.75 m)，結(jié)構(gòu)形式為3跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，端支座處及邊跨直線段和跨中截面中心處梁高為4.53 m，中支點(diǎn)截面處梁高6.83 m，全橋箱梁頂寬12.2 m，箱梁底寬6 m，箱梁橫截面為單箱單室直腹板，頂板厚48 cm，腹板厚分別為45 cm、60 cm、90 cm、100 cm，底板厚由跨中的38 cm按圓曲線變化至中支點(diǎn)梁根部的97.6 cm，中支點(diǎn)加厚到140 cm；全橋共設(shè)5道橫隔梁，分別設(shè)于中支點(diǎn)、端支點(diǎn)和中間跨跨中截面，中支點(diǎn)處設(shè)置厚2.5 m的橫隔梁，邊支點(diǎn)處設(shè)置厚1.45 m的端橫梁，跨中合龍段設(shè)置厚0.4 m的中橫隔梁，隔板設(shè)有孔洞，供檢查人員通過(guò)。

1.2測(cè)點(diǎn)布置

為了準(zhǔn)確地獲取結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)，在合龍段埋設(shè)14個(gè)溫度傳感器，箱梁內(nèi)外各放置兩個(gè)溫度計(jì)來(lái)測(cè)量?jī)?nèi)外環(huán)境溫度。溫度監(jiān)測(cè)中采用長(zhǎng)JMT-36B溫度傳感器(圖1)，其具有高精度、高穩(wěn)定性，高可靠性，防潮及絕緣等優(yōu)良性能，適應(yīng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和自動(dòng)化測(cè)量。讀數(shù)儀器為JMZX-300X綜合測(cè)試儀(圖2)，溫度傳感器具體布置如圖3所示。將溫度傳感器綁扎在鋼筋上，測(cè)試導(dǎo)線引到混凝土表面以方便采集數(shù)據(jù)。

圖1　溫度傳感器

圖2　JMZX-300X 綜合讀數(shù)儀

圖3　合龍段截面溫度測(cè)點(diǎn)布置圖

1.3溫度觀察

合龍段澆筑后24 h的水化熱溫度觀測(cè)記錄見(jiàn)表1。

2 施工水化熱模擬

2.1水化熱理論

2. 1.1混凝土水化熱與混凝土絕熱溫升理論

混凝土水化熱有限元計(jì)算中需要用到混凝土水化產(chǎn)熱率和絕熱升溫理論?；炷了療崾且蕾?lài)于齡期的，可以有三種表達(dá)式。

(1)指數(shù)式。

(1)

式中:Q(τ)為在齡期τ時(shí)的累積水化熱總量；

Q0為τ→∞時(shí)的最終水化熱(kJ·kg-1)；

τ為齡期(d)；

表1　合龍段澆筑后24 h水化熱溫度　℃

續(xù)表11039.940.541.041.441.441.942.643.11139.740.441.241.441.642.042.642.9外2424242424242628內(nèi)25.5262626.526262627

m為與混凝土種類(lèi)和澆筑溫度有關(guān)的系數(shù)，數(shù)值見(jiàn)表2。

表2　常數(shù)m

(2)雙曲線式。

(2)

式中:n為水化熱產(chǎn)熱量達(dá)到Q0/2時(shí)的混凝土齡期。

(3)復(fù)合指數(shù)式。

(3)

式中：a、b值通過(guò)試驗(yàn)求得(表3)。

表3　水泥水化熱常數(shù)

混凝土絕熱溫升θ是指混凝土結(jié)構(gòu)在密閉絕熱不產(chǎn)生任何能量損失的條件下，水化熱產(chǎn)生的能量全部轉(zhuǎn)化成混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)能時(shí)，結(jié)構(gòu)所能達(dá)到的最高溫度值。在缺乏直接測(cè)定的資料時(shí)，混凝土絕熱溫升可根據(jù)水泥水化熱估算如下(二式取其一)：

(4)

(5)

式中:Th為混凝土最大絕熱溫升(℃)；

mc為混凝土中水泥用量(kg·m-3)；

c為混凝土單位熱容，取0.97(kJ·kgK-1)；

F為混凝土活性摻和料用量(kg·m-3)；

Q為水泥28 d水化熱(表4)；

k為摻和料折減系數(shù)，粉煤灰取0.25～0.30。

絕熱溫升Th(τ)與齡期τ的關(guān)系也可用指數(shù)式、雙曲線式或復(fù)合指數(shù)式表示：

(6)

(7)

(8)

式中各個(gè)參數(shù)與前式意義相同。

表4　不同品種、強(qiáng)度等級(jí)水泥的水化熱

2.1.2邊界條件

有限元計(jì)算中，熱力學(xué)分析常用的邊界條件有3種：

(1)第一類(lèi)邊界條件

結(jié)構(gòu)邊界上的溫度已知或按照已知函數(shù)分布，公式表達(dá)為：

(9)

式中:Г為物體邊界，其方向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较颍?/p>

Tw為已知邊界溫度(℃)；

f(x,y,τ)為已知邊界溫度函數(shù)(時(shí)間，坐標(biāo)的函數(shù))。

(2)第二類(lèi)邊界條件

結(jié)構(gòu)邊界上的熱流密度已知，公式表達(dá)為：

(10)

式中:q2為已知邊界熱流密度；

g(x,y,τ)為已知邊界熱流密度函數(shù)(時(shí)間，坐標(biāo)的函數(shù))。

(3)第三類(lèi)邊界條件

與結(jié)構(gòu)相接觸的流體介質(zhì)溫度Tf和對(duì)流換熱系數(shù)α已知，公式表達(dá)為：

(11)

式中:β為結(jié)構(gòu)表面放熱系數(shù)；

Tf為與結(jié)構(gòu)相接觸的流體介質(zhì)溫度(℃)，工程中主要指空氣溫度或水溫；

αS為結(jié)構(gòu)表面日輻射熱量吸收系數(shù)；

S為為日輻射強(qiáng)度。

2.1.3混凝土早期的彈性模量

根據(jù)文獻(xiàn)資料，混凝土的早期彈性模量可以按下式計(jì)算：

(12)

式中:E(τ)為混凝土齡期為τ時(shí)彈性模量(MPa)；

E0為混凝土彈性模量，取標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 (d)的彈性模量；

φ為系數(shù)，應(yīng)根據(jù)所用混凝土試驗(yàn)確定，當(dāng)無(wú)試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，可取0.09；

β為混凝土摻合料對(duì)彈性模量的修正系數(shù)，取值應(yīng)以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，無(wú)試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)可按下式計(jì)算。

摻合料修正系數(shù)計(jì)算公式：

(13)

式中:β1為混凝土中粉煤灰摻量對(duì)應(yīng)的彈性模量修正系數(shù)；

β2為混凝土中礦渣粉摻量對(duì)應(yīng)的彈性模量修正系數(shù)。

2.2建立水化熱模型

2.2.1幾個(gè)假定

使用Midas建立水化熱模型時(shí)的幾個(gè)基本假定；

(1)假定混凝土結(jié)構(gòu)為均質(zhì)體、各單元放熱率相同；

(2)假定混凝土表面的放熱系數(shù)為定值；

(3)不考慮結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋的影響；

(4)混凝土澆筑的初始溫度相同。

2.2.2建模的主要步驟

(1)結(jié)構(gòu)建模；

(2)輸入水化熱分析數(shù)據(jù)；

(3)運(yùn)行結(jié)構(gòu)分析；

(4)查看分析結(jié)果。

模擬計(jì)算合龍段混凝土澆筑后7 d內(nèi)的溫度變化，加載時(shí)間為7 d，前24 h每隔一個(gè)小時(shí)建立一個(gè)步驟，后6 d以0.5 d為一個(gè)荷載步共分為36個(gè)荷載步。由于篇幅限制現(xiàn)在只把澆筑后48 h實(shí)測(cè)和理論計(jì)算的數(shù)據(jù)列出，計(jì)算模型見(jiàn)圖4，圖5、圖6為混凝土澆筑后24 h的水化熱云圖，表5為合龍段澆筑后24 h后實(shí)測(cè)溫度與模型計(jì)算值對(duì)比。

圖4　實(shí)體單元水化熱分析網(wǎng)格劃分

圖5　澆筑后24 h溫度場(chǎng)分布

圖6　澆筑后24 h橫隔板溫度場(chǎng)分布

距離梁頂?shù)木嚯x/m實(shí)測(cè)值/℃模型計(jì)算值/℃0.143.045.81.154.853.41.654.152.52.154.651.82.954.651.73.754.851.74.448.646.0

由圖5、圖6、表5對(duì)比分析可以得知：梁頂實(shí)測(cè)水化熱溫度比計(jì)算數(shù)值略小，梁底和梁中的實(shí)測(cè)值略大于模型值說(shuō)明實(shí)際箱梁產(chǎn)生的水化熱比模型中的偏大，主要是由于梁頂和底板的對(duì)流條件與模型差異造成；實(shí)測(cè)底板溫度比頂板溫度偏高，因?yàn)榱旱淄獠勘荒０灏鼑?，空氣流?dòng)不如梁頂好；在結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)、邊界條件也對(duì)稱(chēng)時(shí)，溫度場(chǎng)存在著對(duì)稱(chēng)性；理論數(shù)據(jù)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)大10%左右，說(shuō)明用Midas建立水化熱模型對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題模擬具有一定的參考價(jià)值。

合龍段水化熱溫度最大值出現(xiàn)在混凝土澆筑后60 h，其端部和中部溫度分布圖如圖7、圖8所示。

圖7　澆筑后60 h溫度場(chǎng)分布

圖8　澆筑后60 h橫隔板溫度場(chǎng)分布

由圖7、圖8可以看出，內(nèi)部最高溫度出現(xiàn)在腹板和翼緣板相交處，溫度為63.6 ℃，截面內(nèi)最低溫度值為42.2 ℃，內(nèi)

外溫差最大值為21.4 ℃?；炷羶?nèi)外溫差不大于25℃，混凝土表面溫度與環(huán)境溫差16.2℃，不大于20℃，符合規(guī)范要求，在實(shí)測(cè)中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂縫產(chǎn)生。

3結(jié)束語(yǔ)

箱梁混凝土水化熱產(chǎn)生的內(nèi)外溫差是溫度裂縫的直接原因，合龍段箱梁的理論計(jì)算內(nèi)外溫差在規(guī)范要求范圍內(nèi)，理論計(jì)算和實(shí)測(cè)值基本吻合，用MIDAS建立水化熱模型對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題模擬具有一定的參考價(jià)值。

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[作者簡(jiǎn)介]常亮(1986～),男,本科，工程師，從事鐵路工程技術(shù)工作。

【中圖分類(lèi)號(hào)】TU755.6+7

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

[定稿日期]2015-11-13