王祥國(guó)，彭一凡，楊孟剛

高鐵簡(jiǎn)支鋼管拱橋拱座大體積混凝土水化熱及溫控措施研究

王祥國(guó)1，彭一凡2，楊孟剛2

(1. 中建鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100053；2. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

混凝土梁鋼管簡(jiǎn)支拱橋因其拱座構(gòu)型復(fù)雜、混凝土體積較大，在澆筑過(guò)程中可能產(chǎn)生過(guò)大的水化熱，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫，影響其耐久性和承載力，因此有必要對(duì)其進(jìn)行分析并采取溫度控制措施。針對(duì)某高鐵線144 m尼爾森體系簡(jiǎn)支拱橋拱座水化熱問(wèn)題，采用有限元軟件MIDAS/FEA建立仿真模型，分析冷管布置、入水流量、入水溫度與通水時(shí)間對(duì)內(nèi)部水化熱冷卻效果的影響，并確定該實(shí)際工程的最優(yōu)冷管參數(shù)。研究結(jié)果表明：布置冷卻水管是一種有效的水化熱溫度控制措施；合理選取冷管參數(shù)可以有效降低拱座大體積混凝土中水化熱溫度，避免混凝土開裂；有限元仿真與實(shí)測(cè)值最大溫差不超過(guò)4℃，說(shuō)明有限元仿真可以較為準(zhǔn)確地模擬結(jié)構(gòu)內(nèi)部因水化熱引起的溫度與應(yīng)力變化情況。

拱座；大體積混凝土；水化熱；冷卻水管；參數(shù)優(yōu)化

鋼管混凝土拱橋憑借其在設(shè)計(jì)、施工、經(jīng)濟(jì)及美觀上獨(dú)特的優(yōu)越性，被越來(lái)越多的應(yīng)用到橋梁工程當(dāng)中。拱座作為拱橋中受力最為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，必須具有足夠的強(qiáng)度與耐久性，而大跨度拱橋的拱座通常為大體積混凝土結(jié)構(gòu)，在澆筑的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的水化熱。如果在澆筑過(guò)程中，不對(duì)其水化熱作用產(chǎn)生的溫升進(jìn)行控制，必將產(chǎn)生由于內(nèi)外溫差而形成的不協(xié)調(diào)變形，從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力，當(dāng)超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度后，拱座將出現(xiàn)裂縫[1]。這種裂縫會(huì)影響拱座的耐久性，因此對(duì)拱座水化熱的分析與控制十分必要。針對(duì)大體積混凝土的水化熱分析，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)與研究。劉慶陽(yáng)等[2]結(jié)合理論與有限元建模，對(duì)水化熱成因及給結(jié)構(gòu)帶來(lái)的影響進(jìn)行了分析。Wilson[3]首次使用有限元法研究大體積混凝土的溫度場(chǎng)，并編制程序，成功應(yīng)用于實(shí)際工程。朱岳明等[4]在有限元迭代法近似求解基礎(chǔ)上提出了一種新的混凝土水管冷卻溫度場(chǎng)計(jì)算方法。張超等[5]提出了一種冷卻水管雙循環(huán)的布置方式，相較于傳統(tǒng)水管埋設(shè)方式能更有效的改善混凝土內(nèi)部溫度與應(yīng)力。林春姣等[6]對(duì)圓形截面鋼管混凝土的水化熱溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析與試驗(yàn)研究。陳渴鑫等[7]選擇不同參數(shù)的冷卻水管，通過(guò)有限元分析，得到了冷卻水管的排布形式，通水溫度與時(shí)間對(duì)混凝土內(nèi)部溫度梯度的影響。系桿拱橋拱座采用較大的實(shí)體段，澆筑過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的水化熱，鋼管混凝土拱橋拱座不同于墩臺(tái)等規(guī)則結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)整，水化熱產(chǎn)生的溫度與應(yīng)力分布復(fù)雜，同時(shí)鮮有文獻(xiàn)針對(duì)拱橋拱座水化熱進(jìn)行溫控分析。因此本文針對(duì)某高鐵線144?m尼爾森體系簡(jiǎn)支拱橋工程，通過(guò)有限元軟件建模，分析了拱座內(nèi)部水化熱溫升情況；采用布置冷卻水管的溫控措施，對(duì)不同入水流量、入水溫度與通水時(shí)間等參數(shù)下冷管的降溫效果進(jìn)行對(duì)比，選取最佳冷管參數(shù)；對(duì)布置冷管后的拱座溫度與應(yīng)力進(jìn)行分析，并將有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)際布置水管后的測(cè)試結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算及溫控措施的合理性。

1 拱座有限元模型與水化熱分析

1.1 背景工程及溫控測(cè)點(diǎn)布置

本文工程實(shí)例為某高鐵跨度為144 m的下承式無(wú)砟雙線簡(jiǎn)支拱橋，橋梁全長(zhǎng)148 m，計(jì)算跨徑144 m，矢跨比為/=1:5，拱肋立面投影矢高28.52 m，拱肋采用二次拋物線，在橫橋向內(nèi)傾8度呈提籃式，采用尼爾森吊桿體系。拱座處的實(shí)心長(zhǎng)方體尺寸長(zhǎng)19.3 m，寬8.5 m，主梁部分高3 m，最小幾何尺寸大于1 m，屬于大體積混凝土，可能會(huì)因混凝土澆筑過(guò)程中產(chǎn)生的水化熱發(fā)生有害裂縫[8]。

為了監(jiān)測(cè)拱座內(nèi)部水化熱溫升情況，在每側(cè)拱座內(nèi)部設(shè)置26個(gè)測(cè)點(diǎn)，布置選取原則為：測(cè)點(diǎn)位置能夠有效記錄拱腳內(nèi)部最高溫，拱腳及拱肋各表面溫度變化情況。測(cè)點(diǎn)布置為：在拱座沿拱軸線方向一半長(zhǎng)度截面內(nèi)設(shè)置2個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，兩測(cè)點(diǎn)分別設(shè)置在預(yù)埋鋼管兩側(cè)腹板與混凝土表面的中點(diǎn)處；在理論拱腳處設(shè)置1個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)；在梁高中心線范圍內(nèi)，于拱座內(nèi)側(cè)表面以及150 cm處各設(shè)置1個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，并向橋跨中心按200 cm的間距分別布設(shè)2個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)；在梁高中心線范圍內(nèi)，往橋跨方向距離理論拱腳400 cm位置處設(shè)置1個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，同時(shí)在上下表面與中心測(cè)點(diǎn)同軸處及梁端外表面分別設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，其距拱座表面距離為5 cm。測(cè)點(diǎn)布置如圖1和圖2 所示。

單位：cm

單位：cm

1.2 建模參數(shù)

本工程采用C55混凝土，水泥采用42.5R普通硅酸鹽水泥。混凝土配合比見表1。其熱力學(xué)性能參數(shù)值見表2，其中混凝土比熱與導(dǎo)熱系數(shù)由加權(quán)平均法進(jìn)行計(jì)算[9]。預(yù)測(cè)澆筑時(shí)的入模溫度為17 ℃。

表1 C55混凝土配合比

表2 C55混凝土熱力學(xué)參數(shù)

混凝土的絕熱溫升可用下式計(jì)算[9?10]：

式中：為水泥用量；為混凝土比熱；為混凝土密度；為混合材用量；(τ)為水泥水化熱，本工程取水泥水化熱375 kJ/kg；為折減系數(shù)，對(duì)粉煤灰取0.25，對(duì)于礦粉取0.5。經(jīng)計(jì)算本項(xiàng)目混凝土絕熱溫升為68 ℃，導(dǎo)溫系數(shù)取1.018。

該工程采用10 cm厚鋼模板，而鋼模板幾乎沒有保溫作用，同時(shí)考慮現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速較小，取風(fēng)速為2m/s，根據(jù)文獻(xiàn)[9]，計(jì)算鋼模板與空氣的對(duì)流系數(shù)為42 kJ/(m2·h·℃)。

1.3 拱座水化熱有限元分析

采用有限元軟件MIDAS/FEA對(duì)拱座建立模型，由于拱座屬于對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故取拱座1/2進(jìn)行建模與分析，模型如圖3所示，由于內(nèi)部鋼筋對(duì)混凝土水化熱影響可以忽略不計(jì)[11]，因此僅考慮拱座混凝土和拱肋鋼管的影響。該模型采用四面體單元，共建立431 280個(gè)節(jié)點(diǎn)，223 817個(gè)單元。

圖3 拱座空間有限元模型圖

圖4 測(cè)點(diǎn)5，9溫度曲線

圖4為拱座澆筑后600 h內(nèi)溫度最高的測(cè)點(diǎn)5與溫度最低的測(cè)點(diǎn)9的溫度時(shí)程曲線。如圖4所示，拱座內(nèi)部因水化熱產(chǎn)生的升溫極快，降溫卻極其緩慢，在澆筑90 h左右達(dá)到最高溫85 ℃，由入模溫度17 ℃知，已超過(guò)《大體積混凝土施工規(guī)范》中規(guī)定的溫升值在入模溫度的基礎(chǔ)上不大于50 ℃的要求，同時(shí)在90 h時(shí)內(nèi)外溫差達(dá)到了37.2 ℃，同樣超出規(guī)范規(guī)定值25 ℃。如拱座表面測(cè)點(diǎn)9，10和11應(yīng)力圖5所示，隨著水化熱發(fā)生，3個(gè)測(cè)點(diǎn)的拉應(yīng)力均已超過(guò)各自容許拉應(yīng)力值，因此可能造成溫度裂縫。綜上所述，應(yīng)當(dāng)在拱座水化熱反應(yīng)階段采取降溫措施。

圖5 測(cè)點(diǎn)9，10和11應(yīng)力曲線

2 冷卻水管溫控效果與參數(shù)分析

降低大體積混凝土水化熱的主要方法有4種：水管冷卻法、寬縫冷卻、預(yù)冷骨料和構(gòu)件采用預(yù)制混凝土塊[12]。水管冷卻因其可控性強(qiáng)，降溫效果明顯，是一種行之有效的主要溫控防裂措施[12-13]。因此本研究采用水管冷卻的方法對(duì)拱座進(jìn)行水化熱溫度控制。

2.1 冷管降溫效果分析

冷管布置形式主要有蛇形和環(huán)形2種[14]，本文采用施工較為簡(jiǎn)單的蛇形冷管布置。圖6為拱肋部分冷管布置圖，冷管布置于距拱肋內(nèi)表面0.5 m處，按1層布置；圖7為拱座部分冷管平面布置圖，考慮冷管的有效溫控范圍為0.4~0.5 m，因此拱座部分冷管按2層布置，間距1 m，上下2層距表面的距離均為1 m，水管水平間距1 m。同時(shí)因拱肋鋼管部分不便于布置冷管，因此冷管在拱肋處彎折布置。冷管采用內(nèi)徑26mm的聚乙烯管，初定進(jìn)水溫度為20 ℃，通水時(shí)間240 h，流量0.95 m3/h。

單位：cm

單位：cm

圖8 有無(wú)冷管測(cè)點(diǎn)5溫度曲線對(duì)比圖

計(jì)算得到2種工況下溫度最高的5號(hào)測(cè)點(diǎn)溫度曲線如圖8所示，由圖可知冷管對(duì)大體積混凝土有明顯的控溫作用，有冷管作用下其最高溫出現(xiàn)時(shí)間較無(wú)冷管時(shí)提前，且最高溫下降了20 ℃，同時(shí)降溫段的降溫速率較無(wú)冷管工況更大，說(shuō)明冷卻水管對(duì)拱座水化熱具有良好的控溫效果。

2.2 冷卻水流量對(duì)降溫效果的影響

當(dāng)冷管直徑一定時(shí)，冷管對(duì)流換熱系數(shù)的大小與冷管流量有關(guān)[15]，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的冷卻水流量越大，冷管與混凝土之間的對(duì)流系數(shù)也將越大，冷凝管將吸收更多的熱量，冷卻效果也就越好。為了選取最佳進(jìn)水流量參數(shù)，保證其他參數(shù)不變，計(jì)算分析進(jìn)水流量為0.5，0.7，0.9和1.1 m3/h 4種工況下5號(hào)測(cè)點(diǎn)的溫升情況。

如圖9所示，在入水流量分別為0.5，0.7，0.9和1.1 m3/h 4種工況下，混凝土內(nèi)部最高溫分別為66.7 ℃，65.8℃，65.1 ℃和64.6 ℃，且最高溫均出現(xiàn)在51 h左右；隨著入水流量的增大，混凝土內(nèi)部最高溫不斷降低，但溫度降幅不隨入水流量的增加線性增大，隨著流量的不斷增大，由流量變化引起的降溫效果將越來(lái)越不明顯。綜合考慮冷卻效果與經(jīng)濟(jì)效益，避免工程浪費(fèi)，本工程選用入水流量 0.9 m3/h。

圖9 不同入水流量下測(cè)點(diǎn)5溫度曲線

2.3 入水溫度對(duì)降溫效果的影響

冷卻水入水溫度越低，冷凝水將吸收更多的熱量，降溫幅度隨之變大。在入水流量取0.9 m3/h，其他參數(shù)不變的情況下，本文分別對(duì)入水溫度為5 ℃，10 ℃，15℃和20 ℃工況拱座內(nèi)部最高溫進(jìn)行分析。

圖10為不同入水溫度下測(cè)點(diǎn)5溫度時(shí)程曲線。如圖10所示，在入水溫度分別為5 ℃，10 ℃，15 ℃和20 ℃ 4種工況下，混凝土內(nèi)部的最高溫度分別為59.0 ℃，61.0 ℃，63.0℃和65.1 ℃，最高溫隨入水溫度的下降而降低，且入水溫度每降低5℃，拱座最高溫大致降低2 ℃，降溫效果較穩(wěn)定。同時(shí)隨著入水溫度的降低，拱座內(nèi)部溫度達(dá)最高溫之后的降溫速率加快，說(shuō)明入水溫度越低對(duì)拱座降溫效果越好。但水溫過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫差過(guò)大，增加了冷管周邊混凝土的收縮應(yīng)力[16]，當(dāng)超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)就會(huì)開裂。同時(shí)，過(guò)快的降溫速率同樣會(huì)導(dǎo)致內(nèi)外溫度不均，產(chǎn)生溫度應(yīng)力，且過(guò)低的入水溫度增加工程成本，因此綜合考慮，本工程的入水溫度選取為10 ℃。

圖10 不同入水溫度下測(cè)點(diǎn)5溫度曲線

2.4 冷卻水通水時(shí)間對(duì)降溫效果的影響

由前述計(jì)算可知，加入冷管后混凝土內(nèi)部最高溫明顯下降，但同時(shí)降溫速率也已超過(guò)規(guī)范規(guī)定的2 ℃/d。冷卻水通水時(shí)間影響著混凝土溫度降溫速率[10]，因此本文其他參數(shù)不變，入水溫度取10 ℃，流量取0.9 m3/h，分別對(duì)通水時(shí)間為50，70，100，130，170，200和240 h工況下混凝土內(nèi)部5號(hào)測(cè)點(diǎn)降溫速率進(jìn)行分析。

圖11為不同通水時(shí)間下測(cè)點(diǎn)5的溫度時(shí)程曲線。如圖11所示，通冷凝水時(shí)間段內(nèi)的拱座降溫速率很大，當(dāng)通水時(shí)間為100，130，170，200和240 h工況下，最快降溫速率均已超過(guò)規(guī)范規(guī)定的2 ℃/d。如在通水時(shí)間為50h時(shí)停止通水，則拱座內(nèi)部溫度將重新回升，拱座最高溫達(dá)到了66.8 ℃。當(dāng)通水時(shí)間為70 h時(shí)，拱座最高溫為61 ℃，且溫度曲線沒有大幅度溫度回升，溫度下降段最大降溫速率為1.9 ℃/d，符合規(guī)范規(guī)定值。綜合考慮水化熱溫度與施工成本，本工程通水時(shí)間取70 h。

圖11 不同通水時(shí)間下測(cè)點(diǎn)5溫度曲線

3 仿真分析與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

經(jīng)前述冷凝管參數(shù)分析，冷管直徑取為26 mm，流量取0.9 m3/h，入水溫度取10 ℃，通水時(shí)間取70 h，環(huán)境溫度按施工季節(jié)假設(shè)為平均溫度17 ℃，入模溫度取17 ℃，環(huán)境溫度以一天為一周期在13 ℃至21 ℃變化。建立有限元模型，分析拱座內(nèi)部最高溫，內(nèi)外溫差，降溫速率及拱座溫度應(yīng)力情況。

由計(jì)算結(jié)果得，布設(shè)冷卻管后拱座最高溫在51h左右出現(xiàn)在5號(hào)測(cè)點(diǎn)，為61.0 ℃，較入模溫度升高了44 ℃，符合規(guī)范溫升小于50 ℃的要求。溫度最低點(diǎn)為測(cè)點(diǎn)9，測(cè)點(diǎn)9最高溫出現(xiàn)在51 h左右為37.0 ℃，內(nèi)外最高溫差為24.5 ℃，混凝土外表面溫度與環(huán)境平均溫度最大差值為20 ℃，符合規(guī)范內(nèi)外溫差小于25 ℃，混凝土表面與大氣溫差小于20 ℃的要求。同時(shí)拱座溫度下降段最大降溫速率為1.9℃/d，同樣符合規(guī)范要求。

仿真分析下的拱座水化熱溫升符合規(guī)范要求，因此本工程按上述冷管參數(shù)布置冷凝管，在實(shí)際施工時(shí)測(cè)得入模溫度為19 ℃，平均環(huán)境溫度為17 ℃。對(duì)澆筑后拱座內(nèi)部的13個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行為期600 h的溫度監(jiān)控，并將13個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)結(jié)果與模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬得到的數(shù)據(jù)擬合較好。這里僅列出具有代表性的測(cè)點(diǎn)5，9及12的數(shù)據(jù)對(duì)比情況進(jìn)行說(shuō)明，對(duì)比結(jié)果如圖12 所示。

由計(jì)算結(jié)果可知，實(shí)測(cè)值與模擬值擬合狀況較好，模擬值與實(shí)測(cè)值最大誤差不超過(guò)4 ℃。實(shí)測(cè)值最高溫發(fā)生在52 h左右的測(cè)點(diǎn)5，最高溫為58.7 ℃，滿足在入模溫度基礎(chǔ)上升溫小于50 ℃的要求，實(shí)測(cè)值最低溫發(fā)生在51 h左右的9號(hào)測(cè)點(diǎn)為36.8 ℃，最大內(nèi)外溫差24.7 ℃，拱座表面測(cè)點(diǎn)與環(huán)境平均溫度最大溫差為19.8℃，拱座最大降溫速率為1.9 ℃/d，均滿足規(guī)范要求。拱座脫模之后，表面未發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象，說(shuō)明按此方案布置的冷管控溫效果較好。

圖12 測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值與模擬值溫度曲線

4 結(jié)論

1) 拱座大體積混凝土澆筑過(guò)程中產(chǎn)生的水化熱較大，混凝土表面拉應(yīng)力可能超過(guò)其容許拉應(yīng)力而產(chǎn)生裂縫，影響結(jié)構(gòu)耐久性，危害較大，因此需對(duì)此類結(jié)構(gòu)進(jìn)行水化熱分析并采取相應(yīng)溫控措施。

2) 混凝土內(nèi)部布設(shè)冷管是一種有效的水化熱控溫措施，可有效降低內(nèi)部最高溫度，縮減最高溫出現(xiàn)時(shí)間，加快降溫速率，減小內(nèi)外溫差。

3) 通水流量、入水溫度、通水時(shí)間顯著影響冷管降溫效果。通水流量越大，降溫效果越好，但由流量變化引起的降溫效果將越來(lái)越不明顯；入水溫度越低，降溫效果越好，且隨著溫度在一定范圍內(nèi)降低，降溫幅度線性增加；通水時(shí)間主要影響混凝土降溫速率。

4) 仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果擬合較好，利用有限元軟件進(jìn)行水化熱分析是一種指導(dǎo)實(shí)際施工的有效方法；同時(shí)按本文冷管方案布置的實(shí)際工程，其水化熱溫度與應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，實(shí)際冷管布置方案有效可行，避免了拱座混凝土澆筑后因水化熱而造成的開裂現(xiàn)象。

[1] 肖維, 焦隆華. 基于高溫瀝青攤鋪溫度場(chǎng)的鋼筋混凝土連續(xù)箱梁橋有限元研究[J]. 公路工程, 2014(6): 302?304, 329. XIAO Wei, JIAO Longhua. Finite element analysis of reinforced concrete continuous box girder bridge based on temperature field of high temperature asphalt paving[J]. Journal of Highway Engineering, 2014(6): 302?304, 329.

[2] 劉慶陽(yáng), 張立永. 大體積混凝土橋臺(tái)水化熱開裂分析與對(duì)策[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2013, 32(增1): 832?835. LIU Qingyang, ZHANG Liyong. Analysis and countermeasure of hydration thermal cracking of mass concrete abutments[J]. Journal of Chongqing Jiaotong University (Natural Science Edition), 2013, 32(Suppl 1): 832?835.

[3] Wilson E L. Determination of temperatures within mass concrete structures[D]. Structural Engineering Laboratory: University of California, 1968.

[4] 朱岳明, 徐之青, 賀金仁. 混凝土水管冷卻溫度場(chǎng)的計(jì)算方法[J]. 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào), 2003, 20(2): 19?22. ZHU Yueming, XU Zhiqing, HE Jinren. Calculation method of temperature field for concrete water pipe cooling[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2003, 20(2): 19?22.

[5] 張超, 常曉林, 劉杏紅. 大體積混凝土施工期冷卻水管埋設(shè)形式的優(yōu)化[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)與工程技術(shù)版), 2014, 47(3): 276?282. ZHANG Chao, CHANG Xiaolin, LIU Xinghong. Optimization of the buried form of cooling water pipe in mass concrete construction[J]. Journal of Tianjin University (Natural Science and Engineering Technology), 2014, 47(3): 276?282.

[6] 林春姣, 鄭皆連, 黃海東. 圓截面鋼管混凝土拱水化熱溫度場(chǎng)試驗(yàn)研究[J]. 混凝土, 2009(10): 13?15. LIN Chunjiao, ZHENG Jielian, HUANG Haidong. Experimental study on hydration heat temperature field of concrete filled circular steel tubular arch[J]. Concrete, 2009(10): 13?15.

[7] 陳渴鑫, 田斌, 陳博夫. 大體積混凝土冷卻水管優(yōu)化研究[J]. 三峽大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2019, 41(2): 31?34. CHEN Kexin, TIAN Bin, CHEN Bofu. Optimization of large volume concrete cooling water pipes[J]. Journal of China Three Gorges University(Natural Sciences), 2019, 41(2): 31?34.

[8] GB 50496—2009, 大體積混凝土施工規(guī)范[S]. GB 50496—2009, Construction specifications for mass concrete[S].

[9] 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)水利水電出版社, 1999. ZHU Bofang. Temperature stress and temperature control of mass concrete[M]. Beijing: China Water Resources and Hydropower Press, 1999.

[10] 何江海, 何景灝. 水泥水化熱與混凝土絕熱溫升計(jì)算方法研究[J]. 科技信息, 2010(21): 465?466. HE Jianghai, HE Jinghao. Research on calculation method of cement hydration heat and concrete adiabatic temperature rise[J]. Science and Technology Information, 2010(21): 465?466.

[11] 唐杰鋒, 吳勝興. 大體積混凝土施工期溫度場(chǎng)的仿真計(jì)算與監(jiān)測(cè)[J]. 工程質(zhì)量, 2002(7): 17?18. TANG Jiefeng, WU Shengxing. Simulation calculation and monitoring of temperature field of mass concrete during construction period[J]. Engineering Quality, 2002(7): 17?18.

[12] 宋福春, 劉策. 考慮管冷的大體積混凝土水化熱分析[J]. 沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2015, 31(1): 95?101. SONG Fuchun, LIU Ce. Analysis of hydration heat of mass concrete with tube cooling[J]. Journal of Shenyang Jianzhu University (Natural Science Edition), 2015, 31(1): 95?101.

[13] 祝金鵬, 李術(shù)才, 張峰. 大體積混凝土水管冷卻溫度場(chǎng)分析[J]. 山東交通學(xué)院學(xué)報(bào), 2008, 16(1): 51?55. ZHU Jinpeng, LI Shucai, ZHANG Feng. Temperature field analysis of water pipe cooling for mass concrete[J]. Journal of Shandong Jiaotong University, 2008, 16(1): 51?55.

[14] 王新剛, 張偉, 樊士廣. 基于MIDAS的大體積混凝土冷卻水管布置方案研究[J]. 港工技術(shù), 2010, 47(6): 42? 45. WANG Xingang, ZHANG Wei, FAN Shiguang. Research on the layout scheme of mass concrete cooling water pipe based on MIDAS[J]. Port Engineering Technology, 2010, 47(6): 42?45.

[15] 魯正剛, 王修信. 考慮水管冷卻的大體積混凝土承臺(tái)溫度控制研究[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2015, 12(5): 1172?1178. LU Zhenggang, WANG Xiuxin. Research on temperature control of mass concrete caps considering water pipe cooling[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2015, 12(5): 1172?1178.

[16] 魏劍峰, 張萬(wàn). 特大方量異形結(jié)構(gòu)大體積混凝土冷卻水管布置與參數(shù)研究[J]. 世界橋梁, 2017, 45(5): 71?75. WEI Jianfeng, ZHANG Wan. Study on the arrangement and parameters of cooling water pipes for large volume concrete with large volume and special-shaped structure[J]. World Bridge, 2017, 45(5): 71?75.

Research on hydration heat of mass concrete at arch support and temperature control measures for a high-speed railway tied-arch bridge

WANG Xiangguo1, PENG Yifan2, YANG Menggang2

(1. China State Railway Investment Construction Group Co., Ltd, Beijing 100053, China; 2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Because the structure of concrete steel pipe simply-supported arch bridge is complex and usually constructed of mass concrete, excessive hydration heat can be generated during the construction, which may result in cracks in the structure and affect its durability as well as bearing capacity. Therefore, it is necessary to perform research on the distribution of hydration heat in the arch support and temperature control measures. In this paper, a 144 m Nielsen system arch bridge for high-speed railway was taken as an example and the numerical model for simulating the distribution of hydration heat in arch support was established based on the software MIDAS/FEA. The influence of cooling pipe arrangement, influent flow, entering water temperature as well as water delivery time on the internal hydration heat cooling effect was analyzed, and the optimal parameters of cooling pipe were determined. Numerical and experimental results show that using cooling water pipe is an effective measure to eliminate the adverse effects of hydration heat. Reasonable selection of cold pipe parameters can effectively reduce the hydration heat temperature in the mass concrete of the arch support and avoid concrete cracking. Since the temperature difference between the calculation and the on-site test is less than 4 ℃, numerical simulation can accurately simulate the temperature and stress changes caused by hydration heat inside the structure.

arch support; mass concrete; hydration heat; cooling water pipe; parameter optimization

TU528

A

1672 ? 7029(2020)03 ? 0549 ? 07

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190605

2019?07?05

國(guó)家自然科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目(51378504)

楊孟剛(1976?) 男，江西安義人，教授，博士，從事橋梁抗震與設(shè)計(jì)理論研究；E?mail：mgyang@csu.edu.cn

(編輯 涂鵬)