高衛(wèi)衛(wèi)（中鐵十二局集團(tuán)有限公司，山西 太原　030022）

大跨度鋼管混凝土拱橋水化熱的試驗(yàn)與數(shù)值分析

高衛(wèi)衛(wèi)
（中鐵十二局集團(tuán)有限公司，山西 太原030022）

隨著鋼管混凝土拱橋跨徑的增大，拱肋直徑勢(shì)必相應(yīng)增加，混凝土水化熱問(wèn)題也隨之突顯。本文基于某大跨度鋼管混凝土拱橋的水化熱試驗(yàn)，結(jié)合實(shí)測(cè)和有限元計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)水化熱產(chǎn)生的拱肋溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析。試驗(yàn)及有限元計(jì)算結(jié)果表明，鋼管混凝土拱橋水化熱導(dǎo)致拱肋截面最高溫度達(dá)74.1℃，最大溫差可達(dá)30℃。在混凝土澆注完7 d后，鋼管混凝土拱肋的水化熱的影響基本消失。

鋼管混凝土拱橋；水化熱；溫度場(chǎng)；現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試；有限元法

隨著鋼管混凝土拱橋跨徑的增大，拱肋內(nèi)混凝土尺寸相應(yīng)增加，往往使其截面直徑大于1 m，符合《大體積混凝土施工規(guī)范》（GB 50496—2009）［1］對(duì)大體積混凝土的定義。但與此同時(shí)，受制于設(shè)計(jì)條件，鋼管內(nèi)混凝土很難像常規(guī)的大體積混凝土（如承臺(tái)、橋墩等）一樣在內(nèi)部布設(shè)冷卻水管，因此大跨度鋼管混凝土拱橋水化熱問(wèn)題比較突出。另外鋼管混凝土拱橋的水化熱與其成橋后的受力狀態(tài)有直接聯(lián)系［2］。因此有必要對(duì)大跨度鋼管混凝土拱橋的水化熱進(jìn)行研究。陳寶春等［2］使用有限差分法對(duì)鋼管混凝土水化熱溫度場(chǎng)求解，并在一個(gè)鋼管混凝土拱橋構(gòu)件上進(jìn)行了水化熱試驗(yàn)加以驗(yàn)證。林春嬌等［3］測(cè)定了一個(gè)10 m跨徑單管拱肋模型的水化熱過(guò)程溫度變化，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)水化熱進(jìn)行了分析。孫國(guó)富［4］在一座實(shí)橋上埋設(shè)了3個(gè)測(cè)溫元件，進(jìn)行了基于實(shí)橋的水化熱試驗(yàn)。宣繼明等［5］使用有限元軟件LUCAS對(duì)拱肋水化熱及相應(yīng)溫度自應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算。水化熱試驗(yàn)可以直接測(cè)定拱肋的水化熱溫度場(chǎng)情況，但往往受到成本限制，數(shù)據(jù)有限；有限元計(jì)算可以全面地考察水化熱溫度場(chǎng)情況，但需通過(guò)試驗(yàn)來(lái)證實(shí)。目前相關(guān)的研究多集中在構(gòu)件或小直徑鋼管混凝土拱橋上，不能真實(shí)地反應(yīng)大跨度鋼管混凝土拱橋的水化熱規(guī)律。

本文以一鐵路鋼管混凝土拱橋?yàn)楸尘?，將水化熱試?yàn)和有限元計(jì)算結(jié)合，進(jìn)行大跨度鋼管混凝土拱橋的水化熱研究。

1　工程背景

一鐵路上承式鋼管混凝土拱橋，主跨360 m，2片桁架拱肋向中間傾斜8°，通過(guò)相貫線焊接形式的K形鋼管連接。桁架拱肋由上、下2片啞鈴截面組成，啞鈴截面單根鋼管外徑為1.5 m，鋼管壁厚30～35 mm。拱頂拱肋截面如圖1所示。拱肋鋼結(jié)構(gòu)采用Q370qD，拱肋內(nèi)部填充C50微膨脹混凝土，每1 m3混凝土原材料用量見(jiàn)表1。拱肋內(nèi)部混凝土單根管澆注，兩岸對(duì)稱同步。管內(nèi)混凝土從拱腳至拱頂連續(xù)澆注，保證在澆注完成時(shí)拱腳混凝土尚未初凝。首先進(jìn)行1號(hào)管的澆注，管內(nèi)混凝土達(dá)到90%的設(shè)計(jì)強(qiáng)度（5 d）后進(jìn)行另外一根鋼管混凝土的澆注。

圖1　拱肋截面（單位：mm）

表1　每1 m2混凝土原材料用量　kg/m3

2　水化熱試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)概況

測(cè)溫元件布置于圖1中1號(hào)管拱頂截面，主要基于以下考慮：拱橋的拱頂是關(guān)鍵部位，具有代表性；混凝土在拱頂處流速慢，對(duì)測(cè)溫傳感器無(wú)損害；1號(hào)管首先進(jìn)行混凝土澆注，所測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)以后各管的混凝土澆注可以提供參考。拱肋內(nèi)部測(cè)溫元件采用IFT-36A型混凝土溫度傳感器，量程為 -20～100℃，精度為0.1℃，大氣溫度采用水銀溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)量。

選取1號(hào)管的拱頂截面布置測(cè)溫元件，計(jì)32個(gè)。定位鋼筋與拱肋鋼管固接，傳感器的導(dǎo)線由拱頂排漿孔引出。試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)布置及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際布置情況如圖2、圖3所示。

圖2　測(cè)點(diǎn)布置（單位：mm）

圖3　測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)以及理論分析，鋼管內(nèi)混凝土澆注完成后，拱肋混凝土溫度會(huì)在約12 h后開(kāi)始上升，而在第3 d左右水化熱大部分釋放完成，溫度隨之穩(wěn)定下降。因此于澆注完成 12 h后開(kāi)始記錄。其中第12 h至第29 h，每1 h記錄1次；第35 h至第44 h，每2 h記錄1次，此時(shí)拱肋截面溫度已穩(wěn)定下降，在澆注完成60 h后進(jìn)行最后1次記錄。在3 d的試驗(yàn)過(guò)程中，天氣陰，無(wú)直接日照，日均氣溫 19.0℃，風(fēng)力在1 m/s以下。

2.2實(shí)測(cè)結(jié)果

本次試驗(yàn)布置了較多的溫度測(cè)點(diǎn)，但對(duì)于無(wú)日照作用下的有內(nèi)熱源瞬態(tài)溫度場(chǎng)來(lái)說(shuō)，必然為軸對(duì)稱分布，僅需列出有代表性的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，即可達(dá)到描述鋼管混凝土拱肋溫度場(chǎng)并驗(yàn)證水化熱有限元模型分析正確性的目的。選取中心點(diǎn) a、1/2半徑點(diǎn)b、外側(cè)點(diǎn)c作為主要的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，并用相應(yīng)的b'，c'點(diǎn)來(lái)校對(duì)。各點(diǎn)位置參見(jiàn)圖2。測(cè)點(diǎn)溫度曲線見(jiàn)圖4。

圖4　測(cè)點(diǎn)溫度曲線

由圖4可以看出：

1）鋼管混凝土拱橋管內(nèi)混凝土初凝后會(huì)有很強(qiáng)的水化放熱現(xiàn)象。中心處測(cè)點(diǎn) a在澆筑完成27 h后達(dá)到最高值74.1℃，其他測(cè)點(diǎn)也幾乎同時(shí)達(dá)到最大值。隨后各測(cè)點(diǎn)溫度相對(duì)平緩下降。

2）測(cè)點(diǎn)b和b'，c和c'溫度變化規(guī)律相同，后期數(shù)值也基本相等，符合溫度場(chǎng)軸對(duì)稱分布的理論預(yù)期。

3）b，b'測(cè)點(diǎn)在開(kāi)始時(shí)有15℃溫差，原因在于混凝土首先到達(dá)b'點(diǎn)，在此處更早釋放水化熱；而當(dāng)全部混凝土均初凝開(kāi)始后，b，b'測(cè)點(diǎn)溫度迅速接近一致。c，c'測(cè)點(diǎn)也有類似規(guī)律。

4）各測(cè)點(diǎn)之間實(shí)測(cè)的最大溫差可達(dá)30℃。

3　有限元計(jì)算

3.1有限元模型

有限元計(jì)算與試驗(yàn)實(shí)測(cè)相比，其優(yōu)勢(shì)在于能夠得到任意時(shí)刻、截面任意位置的水化熱溫度值，可以更全面地對(duì)鋼管混凝土拱橋水化熱溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。選取試驗(yàn)截面，基于ANSYS軟件進(jìn)行水化熱有限元數(shù)值模擬。模擬求解的關(guān)鍵在于對(duì)材料熱工參數(shù)、水化熱內(nèi)熱源、邊界與初始條件的確定［6］。

鋼材的熱工參數(shù)參照文獻(xiàn)［7］進(jìn)行取值?；炷恋臒峁?shù)取值與其各組成材料的熱工性能相關(guān)［8］，根據(jù)表1的材料組成進(jìn)行計(jì)算。混凝土與鋼材的熱工參數(shù)如表2所示。

表2　鋼、混凝土熱工參數(shù)

常用的混凝土水化熱內(nèi)熱源模型有指數(shù)式、復(fù)合指數(shù)式和雙曲線式［9］，因所用材料配比類似，水化熱模型參考文獻(xiàn)［4］，采用雙曲線式水化放熱模型。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，表 1中水泥水化熱為 364.7 kJ/kg （3 d），并通過(guò)表1配合比計(jì)算即可得到本文所用澆注混凝土的水化熱放熱曲線。

按水化熱試驗(yàn)時(shí)的實(shí)際情況進(jìn)行邊界條件施加。初始溫度與混凝土入模溫度一致，取為20℃。

模型使用八節(jié)點(diǎn)四邊形單元 Plane77進(jìn)行模擬，鋼材與混凝土單元結(jié)合處共用節(jié)點(diǎn)以滿足界面連續(xù)的要求。模擬截面合計(jì)380個(gè)單元，1 181個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算以每1 h為一個(gè)荷載步，連續(xù)分析10 d。有限元模型如圖5所示。

圖5　有限元模型

3.2計(jì)算結(jié)果

為考察有限元結(jié)果計(jì)算的正確性，選取測(cè)點(diǎn)a，b，c的溫度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。

由圖6可以看出：各測(cè)點(diǎn)的溫度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)完全一致，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相當(dāng)接近，最大僅有約3℃的溫差。這說(shuō)明本文計(jì)算模型所選取的材料熱工參數(shù)、水化熱雙曲線放熱模型、邊界與初始條件適用于大跨鋼管混凝土拱橋拱肋混凝土的水化熱計(jì)算。有限元方法可以較好地模擬鋼管混凝土拱肋的水化熱溫度場(chǎng)。

圖6　測(cè)點(diǎn)a，b，c的溫度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值

為考察拱肋截面不同時(shí)刻溫度分布，選取典型的1-5（見(jiàn)圖5）點(diǎn)，分別距圓心0，0.360，0.648，0.720（混凝土邊緣），0.750 m（鋼管外表面）。1～5點(diǎn)在澆筑完成10 d內(nèi)的溫度變化曲線見(jiàn)圖7。此外，計(jì)算得到澆注完成10 h，25 h，30 h，3 d，7 d后的水化熱溫度場(chǎng)，其中10 h，30 h及7 d的溫度場(chǎng)云圖如圖8所示，可以直觀地看出拱頂截面澆注完成后各時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布情況。

圖7　典型點(diǎn)位的溫度變化曲線

圖7、圖8的計(jì)算結(jié)果表明：

1）混凝土初凝開(kāi)始后，水化放熱劇烈，截面核心溫度迅速升至最高，然后相對(duì)緩慢下降，最后將趨于環(huán)境溫度；

圖8　拱頂各時(shí)刻溫度場(chǎng)云圖（單位：℃）

2）截面最大溫差隨著中心處混凝土的溫度升高而變大，在澆筑完成后30 h左右到達(dá)最大值30.2℃，然后逐漸減小，最后整個(gè)截面各處溫度基本相同；

3）混凝土內(nèi)部溫度曲線后期趨于一條水平線，相對(duì)恒定，外側(cè)混凝土溫度曲線后期呈周期性變化，說(shuō)明其易受到外界環(huán)境溫度的影響；

4）在澆筑完成7 d后拱肋截面的溫度整體上接近于氣溫，可以認(rèn)為溫度水化熱的影響基本消失。

4　結(jié)論

1）有限元法可對(duì)鋼管混凝土拱橋拱肋內(nèi)混凝土水化熱現(xiàn)象進(jìn)行準(zhǔn)確模擬，由此可得到混凝土澆注完成后各個(gè)時(shí)刻的拱肋截面溫度場(chǎng)。

2）大跨度鋼管混凝土拱肋水化熱現(xiàn)象突出，以試驗(yàn)橋?yàn)槔?，其截面最大溫?4.1℃，計(jì)算得到截面最大溫差達(dá)30.2℃，需要引起重視。

3）大跨度鋼管混凝土拱肋截面的水化熱溫度場(chǎng)呈軸對(duì)稱分布，其核心處混凝土溫度在水化熱后期保持穩(wěn)定，而外側(cè)混凝土溫度則易受外界環(huán)境溫度影響。

4）水化熱對(duì)鋼管混凝土拱橋拱肋的影響可以認(rèn)為在7 d后基本消失。

［1］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50496—2009大體積混凝土施工規(guī)范［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2009.

［2］陳寶春，劉振宇.鋼管混凝土拱橋溫度問(wèn)題研究綜述［J］.福州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009（3）：412-418.

［3］林春姣，鄭皆連，黃海東.鋼管混凝土拱計(jì)算合龍溫度試驗(yàn)研究［J］.廣西大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，35（4）：601-609.

［4］孫國(guó)富.大跨度鋼管混凝土拱橋日照溫度效應(yīng)理論及應(yīng)用研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2010.

［5］宣紀(jì)明，向華偉，蘆可琪.鋼管混凝土拱橋拱肋水化熱溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力分析［J］.橋梁建設(shè)，2010（3）：29-32，46.

［6］楊世銘，陶文栓.傳熱學(xué)［M］.4版.北京：高等教育出版社，2006.

［7］趙常煜.大體積承臺(tái)混凝土水化熱溫度有限元分析與控制［J］.鐵道建筑，2012（9）：47-49.

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

［9］崔容義.大跨度橋梁邊墩水化熱溫度場(chǎng)分析與合理溫控措施研究［J］.鐵道建筑，2011（7）：36-38.

（責(zé)任審編孟慶伶）

Hydration Heat Test and Numerical Analysis for Long Span Concrete-filled Steel Tube Arch Bridge

GAO Weiwei
（China Railway 12th Bureau Group Co.，Ltd.，Taiyuan Shanxi 030022，China）

W ith the increase of bridge span，the diameter of the concrete-filled steel tube（CFST）arch rib increases，causing severe hydration heat.T he hydration heat test was conducted on a long span CFST arch bridge in this paper.Finite element method（FEM）was used to calculate the temperature field of arch rib，and the calculated results and the test results were used for analyzing the hydration heat of CFST arch bridge.T he results show that the temperature caused by hydration heat can be up to 74.1℃and temperature difference can be up to 30℃.T he inflence of hydration heat on CFST arch bridge disappeared after 7 days since the completion of concrete pouring.

Concrete-filled steel tube arch bridge；Hydration heat；T emperature field；Field test；Finite element method

U446.2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.08

1003-1995（2016）08-0035-04

2015-08-31；

2016-05-09

高衛(wèi)衛(wèi)（1983— ），男，工程師。