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        混凝土箱梁早期水化熱溫度效應(yīng)的仿真分析

        2019-08-05 01:47:30
        山西建筑 2019年13期
        關(guān)鍵詞:箱梁混凝土分析

        丁 笑 笑

        (威海海洋職業(yè)學(xué)院,山東 威海 264300)

        隨著我國大跨度橋梁的輝煌建設(shè),箱型截面梁橋以其良好的截面受力特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用,但是由于其結(jié)構(gòu)截面大,需要在生產(chǎn)過程中使用大量水泥,使得澆筑完成后的混凝土箱梁發(fā)生水化熱現(xiàn)象。而混凝土材料導(dǎo)熱性比較差,水化熱產(chǎn)生的溫度梯度可產(chǎn)生早期的溫度效應(yīng),影響結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性。因此,研究箱梁由于水化熱產(chǎn)生早期溫度變化情況和溫度應(yīng)力具有重要意義。

        在混凝土溫度場計算原理理論分析的基礎(chǔ)上,根據(jù)實際工程中的某一連續(xù)箱形橋梁的單箱單室分段的自身特點(diǎn),在溫度場理論分析的基礎(chǔ)上,分析箱梁在水化熱產(chǎn)生溫度效應(yīng)數(shù)值仿真分析中邊界條件的確定和參數(shù)的取值,研究溫度場和溫度應(yīng)力在箱梁截面的分布規(guī)律。

        1 溫度場計算原理

        1.1 熱傳導(dǎo)方程

        根據(jù)熱傳導(dǎo)理論,澆筑后混凝土箱梁結(jié)構(gòu)的溫度場分布可看成在特定邊界條件和初始條件下進(jìn)行求解熱傳導(dǎo)方程。假設(shè)混凝土各向同性,連續(xù),均勻,在水泥水化熱的作用下,具有內(nèi)部熱源i強(qiáng)度,溫度隨時間變化的熱傳導(dǎo)方程可表示為:

        其中,α為導(dǎo)熱系數(shù);T為混凝土的瞬間溫度;Q為熱源密度;c為混凝土比熱;ρ為混凝土密度[1]。

        1.2 邊界條件的確立

        計算混凝土箱梁的熱傳導(dǎo)方程需要確定初始條件和邊界條件,其中初始條件為箱梁受熱前整個結(jié)構(gòu)的初始溫度數(shù)值。邊界條件為混凝土箱梁外表面與四周介質(zhì)的相互作用規(guī)律,通常認(rèn)為箱梁的邊界條件有四類[2],認(rèn)定混凝土箱梁結(jié)構(gòu)邊界上與周邊的環(huán)境進(jìn)行換熱的方式主要為對流,因此設(shè)定邊界條件為第三類邊界條件。對流熱交換系數(shù)的確定與介質(zhì)的物理性質(zhì),流速,換熱表面的部位,表面,形狀與介質(zhì)之間的溫差密切相關(guān)。

        1.3 水化熱公式

        引起混凝土箱梁早期溫度應(yīng)力的因素是水泥的水化熱,在箱梁結(jié)構(gòu)溫度場計算中,混凝土的水化熱主要依賴齡期,混凝土箱梁水化熱放熱規(guī)律和絕熱溫升采用朱伯芳提出的復(fù)合指數(shù)法[3],其表達(dá)式為:

        Q(τ)=Q0(1-e-aτb)。

        其中,Q(τ)為在齡期T時累積的水化熱,kJ/g;Q0為t趨近于無窮時的最終水化熱,kJ/kg;a,b均為系數(shù),查表求得。

        2 有限元模擬

        ANSYS是集結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁場和耦合場分析于一體的大型通用軟件,其中熱分析功能是基于能量守恒原理的熱平衡方程,可以計算結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)的溫度和應(yīng)力[4]。選取實際工程中的某一連續(xù)箱梁橋的結(jié)構(gòu)分段,長度取為3 m,箱梁頂板寬為16.5 m,底板寬為7.8 m,高為8.8 m,頂板,腹板和底板厚度分別為0.53 m,1 m,1.2 m。模擬時假定混凝土箱梁為一次澆筑入模,同時忽略混凝土澆筑經(jīng)歷的時間和太陽輻射的影響。求解時分析步驟可分為前處理,建模;求解,施加荷載計算;后處理,查看結(jié)果三個步驟。

        2.1 建立分析模型

        用有限元軟件對箱型模型模擬溫度場時,選取適用于三維瞬態(tài)熱分析問題中的單元類型Solid70?;炷翉?qiáng)度等級為C55,重點(diǎn)研究混凝土的早期溫度效應(yīng),不考慮鋼筋的影響,因此設(shè)定材料參數(shù)見表1。選用有限元網(wǎng)格時,根據(jù)箱梁截面尺寸建立有限元實體模型,全部采用四邊形單元對模型進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分,實際劃分單元數(shù)為16 912。圖1為有限元網(wǎng)格圖。

        表1 材料系數(shù)設(shè)定

        2.2 荷載時間及求解

        計算時分析類型定義為瞬態(tài)分析類型。定義箱梁澆筑初始溫度為30 ℃,將箱梁水化熱、邊界熱交換寫成溫度隨時間變化的循環(huán)語句分別以體荷載,面荷載的形式施加到箱梁模型上。設(shè)定計算時間為3 d,荷載子步長為1 h,計算求得箱梁早期水化熱各個時刻的溫度場。然后再改變單元類型,確定混凝土的結(jié)構(gòu)材料特性,刪除所有熱載荷并施加結(jié)構(gòu)約束條件,讀入熱分析所得的溫度結(jié)果,將其作為溫度作用施加到箱梁分段上進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,最后得到箱梁早期的溫度應(yīng)力。

        3 數(shù)值分析

        3.1 溫度場分析

        圖2為箱梁水化熱的溫度場云圖,圖2,圖3顯示早期混凝土箱梁外表面溫度最高可以達(dá)到71 ℃,溫度峰值出現(xiàn)在上下梗腋處,此處局部尺寸較大,與外界換熱少,水泥水化熱較高不易散發(fā)而導(dǎo)致。

        箱梁頂板,腹板和上底板部位的溫度變化曲線見圖3,早期階段箱梁各個部位的溫度變化規(guī)律趨勢是一致的,上升到一個峰值后緩慢下降,這與一般大體積混凝土水化熱溫度曲線相似。可見入模后的混凝土經(jīng)過水化熱其溫度經(jīng)歷了較快的溫升階段,一直到溫度峰值后,出現(xiàn)相對緩慢的溫降現(xiàn)象。由于上底板部位尺寸較厚,位置較低水化熱產(chǎn)生的熱量大且與處于箱梁內(nèi)側(cè)與外界熱交換少,因此底板的溫度峰值反而高于腹板和頂板。頂板表面平坦,無局部尺寸,處于上處通風(fēng)處,溫升之后降溫速度快于腹板[5]。

        圖4中顯示在腹板范圍內(nèi)沿梁高方向選取腹板下部、腹板中部和腹板頂部三個不同的位置比較溫度變化規(guī)律,腹板高度中間附近溫度最高,高度上端次之,腹板下端接近下底板附近溫度最低,兩者之間數(shù)值相差約12 ℃,這說明沿梁高的箱梁存在較大的溫度梯度,此溫度梯度極易產(chǎn)生溫度應(yīng)力。

        3.2 溫度應(yīng)力分析

        圖5顯示為腹板與頂板和底板相接處兩點(diǎn)的溫度應(yīng)力,可看出在水化熱后期在頂板與腹板交接處出現(xiàn)了箱梁早期最大溫度應(yīng)力可以達(dá)到2.2 MPa,交角處熱量換散困難應(yīng)力集中現(xiàn)象顯著,這與溫度場分析吻合。上頂板與腹板連接處表面形成應(yīng)力集中區(qū)域,再加上在實際使用過程中受太陽輻射的影響極易產(chǎn)生混凝土開裂現(xiàn)象。

        圖6中深灰區(qū)域表示應(yīng)力最大值所在的區(qū)域,可以看出,由于溫度升高,箱梁體積膨脹,沿箱梁腹板和底板內(nèi)側(cè)部位和外側(cè)形成兩個拉應(yīng)力帶,這說明由于此處板件較厚,水泥用量大,水化熱作用激烈,如果不適當(dāng)采取冷卻或散熱等防護(hù)措施,極易造成混凝土的損失和開裂。

        4 結(jié)語

        混凝土箱梁結(jié)構(gòu)澆筑之后會受到水化熱的影響,由此會引起箱梁結(jié)構(gòu)的溫度變化,通過有限元軟件模擬可以發(fā)現(xiàn)在混凝土硬化早期,箱梁最高溫度可以達(dá)到70 ℃,這與前人所做的箱梁水化熱試驗相符合。

        水泥水化熱不僅會引起箱梁溫度場的變化,還給箱梁結(jié)構(gòu)帶來溫度效應(yīng),因此施工時有必要對其做出預(yù)防和保護(hù)措施。

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