蔣勇

（杭州地方鐵路開發(fā)有限公司,浙江 杭州 310009）

0 引言

為適應(yīng)不斷增大的交通流量需求，道路橋梁的寬度有不斷加大的趨勢(shì)，尤其在城市高架橋梁中，往往利用地面道路分隔帶區(qū)域設(shè)置橋墩以充分利用道路空間，形成長(zhǎng)懸臂甚至超長(zhǎng)蓋梁這種特殊的結(jié)構(gòu)形式，其懸臂長(zhǎng)度往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橋墩墩柱間距[1-3]。

長(zhǎng)懸臂蓋梁由于懸臂長(zhǎng)度大，一般采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)；蓋梁寬且高，尤其在墩柱位置截面積大，屬于截面尺寸較大的實(shí)心結(jié)構(gòu)，混凝土澆筑方量大且常為一次性澆筑完成。所以長(zhǎng)懸臂蓋梁的混凝土等級(jí)較高、水泥用量大、施工和養(yǎng)護(hù)條件復(fù)雜，容易因水化熱造成混凝土內(nèi)外溫差過(guò)大而導(dǎo)致蓋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫致裂縫[4-6]。

本文介紹了浙江省某上跨高速鐵路立交橋的城市高架橋梁的兩個(gè)超長(zhǎng)懸臂蓋梁的混凝土水化熱分析，以及早齡期力學(xué)性能現(xiàn)場(chǎng)同步監(jiān)測(cè)結(jié)果，采用有限元方法建立時(shí)變模型對(duì)混凝土水化熱進(jìn)行模擬分析，研究水化熱溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的發(fā)展規(guī)律，為類似工程施工養(yǎng)護(hù)提供參考。

1 工程概況

浙江省某上跨高速鐵路立交橋的高架橋梁，其高架橋橋墩均設(shè)置于地面道路中央分隔帶內(nèi)（高速鐵路跨越地面道路），橋梁一跨跨越鐵路線，主跨為跨徑45 m斜交80°的簡(jiǎn)支裝配式小箱梁結(jié)構(gòu)，鄰跨為一端斜交一端正交、中線跨徑28.3 m的簡(jiǎn)支裝配式小箱梁結(jié)構(gòu)，橋梁立面與平面圖如圖1和圖2所示。其中10號(hào)、11號(hào)橋墩蓋梁為主跨與鄰跨的交接墩。橋墩兩墩柱中心距離8.2 m，凈距5.7 m，蓋梁總長(zhǎng)達(dá)37.469 m，且懸臂凈長(zhǎng)達(dá)到13.385 m，蓋梁寬2.8 m，最高達(dá)4.069 m，蓋梁立面圖如圖3所示。

圖1 橋梁立面圖（單位：mm）

圖2 橋梁平面圖（單位：m）

該橋10號(hào)和11號(hào)蓋梁懸臂長(zhǎng)，截面尺寸大，混凝土澆筑方量大，且橋墩位于高鐵線路兩側(cè)，橋梁耐久性要求高。因其大體積混凝土澆筑特點(diǎn)以及結(jié)構(gòu)重要性，為避免因水化熱造成混凝土內(nèi)外溫差過(guò)大而導(dǎo)致蓋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫致裂縫，對(duì)這兩個(gè)大懸臂蓋梁混凝土澆筑過(guò)程開展了水化熱分析和監(jiān)測(cè)。

圖3 蓋梁立面圖（單位：m）

2 蓋梁水化熱溫度及應(yīng)力監(jiān)測(cè)

2.1 蓋梁水化熱溫度監(jiān)測(cè)傳感器布置

為了對(duì)10號(hào)、11號(hào)大懸臂蓋梁混凝土澆筑及養(yǎng)護(hù)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度和應(yīng)力監(jiān)測(cè)，布置了一系列溫度傳感器和應(yīng)變傳感器，因兩墩柱間蓋梁截面高度高，溫度傳感器和應(yīng)變傳感器主要布置于該區(qū)段，具體布置位置如下。

蓋梁中面（距離側(cè)面1.4 m的豎直立面）上共計(jì)布置31個(gè)溫度傳感器，具體布置如圖4所示。

圖4 蓋梁內(nèi)部（中面）溫度測(cè)點(diǎn)布置（單位：mm）

蓋梁兩外側(cè)面布置能自帶測(cè)溫功能的應(yīng)變傳感器，兼顧應(yīng)變測(cè)試和溫度測(cè)試，布置于蓋梁側(cè)面鋼筋骨架上每個(gè)蓋梁共計(jì)44個(gè)測(cè)點(diǎn)，具體布置如圖5所示。

圖5 蓋梁側(cè)面溫度和應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置（單位：mm）

另布置測(cè)量大氣溫度的傳感器TDQ。

采用的溫度和應(yīng)變監(jiān)測(cè)的設(shè)備具體見表1。

表1 溫度監(jiān)控設(shè)備

2.2 蓋梁溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果

蓋梁溫度和應(yīng)變監(jiān)測(cè)采用實(shí)時(shí)自動(dòng)采集。首先分析蓋梁澆筑后內(nèi)部溫度隨齡期變化情況，圖6和圖7為兩蓋梁中面中部縱向分布各測(cè)點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)T1-2、T2-3、T3-3、T4-3、T5-3、T6-3、T7-2）， 各 測(cè)點(diǎn)的溫度隨混凝土齡期變化，圖8和圖9為兩蓋梁中面豎向分布各測(cè)點(diǎn)的溫度隨混凝土齡期的變化。

圖6 10號(hào)蓋梁中部橫向測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線

圖7 11號(hào)蓋梁中部橫向測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線

由圖6和圖7可見，蓋梁中面中部各個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度變化趨勢(shì)基本一致，其中澆筑后48 h內(nèi)溫度變化劇烈，48～96 h內(nèi)溫度變化趨緩，澆筑后60 h測(cè)點(diǎn)達(dá)到峰值溫度，96 h后溫度呈下降趨勢(shì)。這與混凝土水化熱反應(yīng)理論基本吻合，說(shuō)明該實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有可靠性。

圖8 10號(hào)蓋梁中部豎向測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線

圖9 11號(hào)蓋梁中部豎向測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線

圖8和圖9主要描述了蓋梁中面豎向測(cè)點(diǎn)溫度變化。由圖可見，蓋梁中面中部測(cè)點(diǎn)的峰值溫度遠(yuǎn)大于其頂面和底面測(cè)點(diǎn)的峰值溫度；兩者的溫度變化趨勢(shì)基本一致。說(shuō)明蓋梁內(nèi)部混凝土水化熱產(chǎn)生的熱量散發(fā)慢，而外表面則散熱快。

如果寶寶流鼻涕很嚴(yán)重的話，為了不讓他擦鼻涕那么辛苦，對(duì)于6 個(gè)月以上的寶寶，可以在醫(yī)生的指導(dǎo)下給他使用含單一抗過(guò)敏成分的藥物，比如氯雷他定糖漿或者西替利嗪滴劑。這類抗過(guò)敏藥有抑制身體分泌組胺的作用，組胺被抑制住了，流鼻涕的癥狀也就止住了。但這類藥會(huì)同時(shí)引起寶寶犯困、口干、眼干、皮膚發(fā)干等副作用，不是很嚴(yán)重的流鼻涕、打噴嚏的話，不要隨意使用。另外，多喝水也有助于稀釋鼻涕，使它易于排出。

下面再考察蓋梁內(nèi)外溫差的分布情況，圖10和圖11為兩蓋梁中面和側(cè)面相應(yīng)對(duì)點(diǎn)之間溫差隨齡期的變化。

圖 10和圖 11列出了 T4-1、T4-3以及 T4-5與外表面的溫差曲線。圖中“上部”曲線為中面溫度測(cè)點(diǎn)T4-1與側(cè)面測(cè)點(diǎn)S4-1之間的溫差，“中部-S”曲線為中面溫度測(cè)點(diǎn)T4-3與側(cè)面測(cè)點(diǎn)S4-3之間的溫差，“中部-N”曲線為中面溫度測(cè)點(diǎn)T4-3與側(cè)面測(cè)點(diǎn)N4-3之間的溫差，“下部”曲線為中面溫度測(cè)點(diǎn)T4-5與側(cè)面測(cè)點(diǎn)S4-5之間的溫差。

由圖可見，蓋梁中部測(cè)點(diǎn)（T4-3）對(duì)應(yīng)的內(nèi)外溫差明顯高于上部測(cè)點(diǎn)（T4-1）以及下部測(cè)點(diǎn)（T4-5），溫差曲線變化趨勢(shì)一致，呈現(xiàn)澆筑后48 h內(nèi)測(cè)點(diǎn)溫差增幅較大，48～96 h溫差相對(duì)較大，而后期相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的溫差逐步下降，所以混凝土澆筑后48～96 h需要重點(diǎn)關(guān)注混凝土的溫差應(yīng)力。

圖10 10號(hào)蓋梁內(nèi)部與外部測(cè)點(diǎn)變化曲線

圖11 11號(hào)蓋梁內(nèi)部與外部測(cè)點(diǎn)溫差曲線

2.3 蓋梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果

根據(jù)溫度監(jiān)測(cè)情況，選取沿蓋梁截面高度方向的頂面、中部、底面三個(gè)外側(cè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。

圖12和圖13描述了10號(hào)、11號(hào)蓋梁相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化曲線。從發(fā)展趨勢(shì)看，在澆筑后的1～2 d內(nèi)，蓋梁的內(nèi)部與外部溫差較大，產(chǎn)生拉應(yīng)力，其值迅速上升，達(dá)到峰值后，應(yīng)力值逐步下降，受力狀態(tài)由受拉轉(zhuǎn)向受壓。由圖可見最大拉應(yīng)力在1.5～2.0 MPa，蓋梁上未發(fā)現(xiàn)裂縫產(chǎn)生。圖中計(jì)算應(yīng)力按C45混凝土允許拉應(yīng)力隨齡期變化計(jì)算得到[7]。由于實(shí)際施工中蓋梁混凝土添加了早強(qiáng)劑，早齡期時(shí)實(shí)際允許應(yīng)力發(fā)展應(yīng)該大于圖中應(yīng)力結(jié)果，并且圖中應(yīng)力計(jì)算所用彈性模量為混凝土28 d彈性模量，其數(shù)值偏大，這也是實(shí)際蓋梁未出現(xiàn)裂縫的原因所在。

圖12 10號(hào)蓋梁應(yīng)力變化曲線

圖13 11號(hào)蓋梁應(yīng)力變化曲線

3 長(zhǎng)懸臂蓋梁水化熱有限元分析

3.1 模型建立

基于Midas FEA軟件，以三維實(shí)體單元建立蓋梁的仿真分析模型，進(jìn)行水化熱分析。模型中，蓋梁底面采用固結(jié)位移邊界；參考模板設(shè)計(jì)剛度，將模板的作用簡(jiǎn)化成節(jié)點(diǎn)彈性支撐約束。蓋梁與大氣環(huán)境接觸面的對(duì)流邊界采用第三類邊界模擬，對(duì)流系數(shù)與環(huán)境風(fēng)速相關(guān)，采用下式計(jì)算[8-10]：

式中：hc為對(duì)流系數(shù)；v為環(huán)境風(fēng)速，考慮模板的防風(fēng)作用，故拆模前取1.0 m/s，在拆模后根據(jù)實(shí)際風(fēng)速計(jì)算對(duì)流系數(shù)，側(cè)模拆除按混凝土澆筑后1 d模擬。

混凝土的材料力學(xué)性能和施工參數(shù)均根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果取值，熱物理系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值。表2和表3列出了蓋梁混凝土配合比以及參數(shù)選值。

混凝土絕熱溫升只考慮齡期的影響，變化規(guī)律參照式（2），其中混凝土最終絕熱溫升根據(jù)水泥水化估算，按式（3）計(jì)算[11-12]。

表2 蓋梁混凝土配合比 kg/m3

表3 混凝土的參數(shù)取值

式中：θ（τ）為齡期為τ時(shí)混凝土絕熱溫升；m為澆筑強(qiáng)度修正系數(shù)，本文根據(jù)水泥種類以及澆筑溫度取m=0.4；Q為水泥水化熱總量，本文根據(jù)水泥種類取Q=380 kJ/kg；W為每立方米混凝土膠凝材料用量；k為折減系數(shù)，根據(jù)粉煤灰摻量取k=0.95；c為混凝土比熱；ρ為混凝土密度。將各參數(shù)代入上式，其中混凝土最終絕熱溫升計(jì)算得75℃/kg。

考慮到蓋梁的澆筑方式以及澆筑時(shí)間，建模時(shí)分8層澆筑，每一層澆筑時(shí)間控制在1 h左右，共8 h完成澆筑。模型如圖14所示。

圖14 蓋梁分析模型

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 溫度變化曲線對(duì)比

將蓋梁的有限元分析與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比（以T5-3為例），如圖15所示。

從圖15可以發(fā)現(xiàn)對(duì)于同一測(cè)點(diǎn)，實(shí)測(cè)溫度變化曲線與有限元模擬結(jié)果兩者的變化趨勢(shì)基本是一致的。澆筑后48 h內(nèi)為上升段，48～72 h為平穩(wěn)段，峰值溫度兩者較為接近，72 h后為下降段，下降幅度較緩。

圖16為蓋梁高度上的中間層的溫度場(chǎng)分布，可見蓋梁內(nèi)部溫度較高，且分布比較均勻，蓋梁外部溫度逐步降低，有一定的溫度梯度。

3.2.2 應(yīng)力變化曲線對(duì)比

由圖17可得，對(duì)于蓋梁同一個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化曲線，有限元分析結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較為吻合。

圖15 有限元分析與實(shí)測(cè)的溫度變化曲線對(duì)比

圖16 蓋梁中間層溫度場(chǎng)分布圖

圖17 有限元分析與實(shí)測(cè)的應(yīng)力變化曲線對(duì)比

3.3 最終絕熱溫升參數(shù)的分析

絕熱溫升是計(jì)算水化熱的重要參數(shù)，其取值與混凝土配合比密切相關(guān)。

為了對(duì)比不同絕熱溫升取值的影響，圖18列出了最終絕熱溫升分別為70、75、80℃/kg時(shí)蓋梁中部測(cè)點(diǎn)的溫度變化曲線。由圖可見，蓋梁的峰值溫度隨著最終絕對(duì)溫升取值的增大而提高，而溫度變化曲線的走勢(shì)一致。由此可見，優(yōu)化蓋梁的混凝土配合比有利于降低峰值溫度，降低蓋梁內(nèi)外溫差，減小混凝土的拉應(yīng)力，從而有效防止長(zhǎng)懸臂蓋梁早期裂縫的產(chǎn)生。

4 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)懸臂蓋梁是一種截面高度和厚度均較大的具有相當(dāng)混凝土體積的實(shí)體結(jié)構(gòu)，混凝土澆筑過(guò)程中的水化熱控制是施工中必須關(guān)心的問(wèn)題。本文根據(jù)某具有典型意義的截面高度達(dá)4 m、厚度達(dá)2.8 m的超長(zhǎng)懸臂蓋梁混凝土澆筑時(shí)水化熱監(jiān)測(cè)和有限元模擬分析，得到如下結(jié)論，供類似工程施工參考：

圖18 不同絕熱溫升蓋梁溫度變化曲線

（1）長(zhǎng)懸臂蓋梁在施工期間可能會(huì)產(chǎn)生較高的水化熱，并在混凝土內(nèi)部和表面之間形成一定的溫度梯度，無(wú)論是混凝土內(nèi)部溫度還是拉應(yīng)力，均出現(xiàn)在混凝土澆筑初期，尤其是混凝土齡期在1～4 d，應(yīng)該引起重視。

（2）本文建立的蓋梁混凝土水化熱有限元模型得到的分析結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果具有較好的一致性。

（3）本項(xiàng)目蓋梁混凝土配合比中摻入了適量的粉煤灰替代水泥用量，降低了混凝土最終絕熱溫升，因而有效控制了水化熱，雖然蓋梁澆筑過(guò)程中因溫差產(chǎn)生了拉應(yīng)力，但尚不至于使得混凝土產(chǎn)生裂縫，所以建議類似蓋梁施工時(shí)應(yīng)考慮采取適當(dāng)措施控制水化熱，避免出現(xiàn)裂縫，如優(yōu)化混凝土配合比、控制水泥用量、摻入適量粉煤灰等，以降低高強(qiáng)混凝土的水化熱。

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