（重慶工商職業(yè)學(xué)院， 重慶 401520）

某空心高墩混凝土水化熱溫度場(chǎng)分析

唐春平 周躍孝

（重慶工商職業(yè)學(xué)院， 重慶 401520）

為掌握混凝土空心高墩水化熱溫度分布規(guī)律，根據(jù)熱傳導(dǎo)有限單元法原理，運(yùn)用有限元軟件ANSYS建立三維分析模型，得到溫度場(chǎng)分布特點(diǎn)以及溫度應(yīng)力發(fā)展規(guī)律：沿壁板厚度方向溫度分布不均勻，壁厚的增加，內(nèi)外溫差以及應(yīng)力也有所增大。

混凝土高墩；試驗(yàn)；有限元；水化熱；溫度場(chǎng)

0 引言

隨著我國(guó)高等級(jí)公路和高鐵的快速發(fā)展，橋梁的高度和跨度在不斷被刷新［1］。為滿足大型橋梁對(duì)強(qiáng)度及穩(wěn)定性的要求，大量采用混凝土空心高墩結(jié)構(gòu)，空心高墩屬于高、柔性結(jié)構(gòu)，豎向荷載大，混凝土水化速度快，放熱量多，由此產(chǎn)生的水化溫度應(yīng)力是造成混凝土橋梁結(jié)構(gòu)開裂的主要原因之一，這種溫度應(yīng)力和變形直接影響到混凝土結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和適用性［2-3］。許多工程由于未能充分重視溫度作用而產(chǎn)生了許多嚴(yán)重裂縫，有的橋梁甚至被迫停運(yùn)修復(fù)，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)橋梁大體積混凝土水化熱溫度場(chǎng)研究取得許多成果，但是對(duì)空心高墩混凝土水化熱溫度場(chǎng)的研究還比較少［4］。

1 有限元分析

本文基于某空心高墩工程實(shí)際情況，采用大型有限元軟件 ANSYS，以瞬態(tài)熱傳導(dǎo)方程和水化放熱模型為基礎(chǔ)，建立三維高墩有限元模型。該橋主橋?yàn)榭招谋”谶B續(xù)三跨剛構(gòu)橋，主橋橋墩為空心薄壁墩，墩高69m，墩底尺寸25m×11m，墩頂尺寸為9.2m×11m，空心尺寸為6.8×8m。墩采用C40自拌混凝土，混凝土配合比見表1。

表 1 C40 混凝土施工配合比

圖1 空心墩的有限元模型

圖 2 短邊中點(diǎn)水化熱時(shí)程曲線

采用SOLID70熱單元進(jìn)行瞬態(tài)熱分析，采用APDL參數(shù)化建模，建立空間有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析，ANSYS有限元模型如圖1所示。

對(duì)有限元模型進(jìn)行加載計(jì)算，便可得出的水化熱時(shí)程曲線及水化熱期間瞬時(shí)溫度場(chǎng)，由于空心墩截面對(duì)稱，可以選取長(zhǎng)、短邊截面中心的 2 個(gè)節(jié)點(diǎn)的水化熱時(shí)程曲線作為典型代表，其計(jì)算結(jié)果見圖2和圖3。圖4 為表面測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)溫度與計(jì)算溫度的對(duì)比。

圖 3 長(zhǎng)邊中點(diǎn)水化熱時(shí)程曲線

圖4 表面測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)與計(jì)算溫度的變化曲線

由圖可知水化熱溫度在入模后的20小時(shí)內(nèi)急劇上升，后續(xù)溫度逐漸降低。水化熱溫度場(chǎng)分布規(guī)律和應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律相類似，先升后降［5］。溫度梯度沿厚度方向變化較為明顯，墩截面內(nèi)部混凝土溫度比內(nèi)外表面的測(cè)點(diǎn)溫度高，且內(nèi)外表面測(cè)點(diǎn)溫度相近，模擬水化放熱計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較吻合。

3 .結(jié)論

通過模擬水化放熱和對(duì)流邊界條件來仿真實(shí)際溫度場(chǎng)，建立三維空心墩有限元模型對(duì)高強(qiáng)混凝土水化熱模擬分析，并與實(shí)測(cè)溫度對(duì)比分析，結(jié)果吻合良好。溫度梯度沿厚度方向變化較為明顯，墩截面內(nèi)部混凝土溫度比內(nèi)外表面的測(cè)點(diǎn)溫度高，且內(nèi)外表面測(cè)點(diǎn)溫度相近。水化熱溫度場(chǎng)分布規(guī)律和應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律相類似，先升后降。試驗(yàn)結(jié)果可以作為橋墩混凝土澆筑前的參考數(shù)據(jù)，為溫控措施的采取力度與位置提供參考。得出了測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律，可以為類似的工程施工提供參考。

[1] 馮德飛，盧文良．混凝土箱梁水化熱溫度試驗(yàn)研究［J］．鐵道工程學(xué)報(bào)，2006( 8) : 62-67．

[2] 程俊瑞，季文玉． 預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁水化熱溫度及應(yīng)變的試驗(yàn)研究［J］． 公路交通科技，2003，20( 6) : 76-79．

[3] 陳天地. 鐵路空心橋墩溫度場(chǎng)試驗(yàn)研究. 重慶：重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文.2007

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

[5]張亮亮,陳天地. 影響混凝土結(jié)構(gòu)水化熱溫度多因素分析.高速鐵路技術(shù). 2010( 3) : 5-8

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