王軍凱

（天津城建大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300384）

大跨度鋼管混凝土拱橋的拱肋和腹板的尺寸較大，其混凝土灌注也屬于大體積混凝土[1-2]施工的范疇，特別是拱肋很長(zhǎng)的情況下沿拱肋軸線方向的溫度分布很不均勻.在灌筑過(guò)程[3]中，拱肋不同部位的溫度差異會(huì)引起溫度變形，使拱肋的線形和形狀發(fā)生變化.同時(shí)，在澆筑完成后整體拱肋溫度的變化會(huì)引起拱肋整體的伸縮，產(chǎn)生溫度次應(yīng)力，從而對(duì)整個(gè)拱肋的受力狀態(tài)產(chǎn)生影響，特別是拱腳處的應(yīng)力變化[4-5].

目前，對(duì)于鋼管混凝土溫度應(yīng)力的影響因素研究很多，例如李振彪[6]對(duì)鋼管混凝土的直徑等因素進(jìn)行分析，研究鋼管混凝土溫度場(chǎng)的影響因素.但是，對(duì)于怎樣控制溫度場(chǎng)的溫度從而降低溫度應(yīng)力卻很少有人研究.

本文結(jié)合成貴鐵路西溪河大橋，利用MIDAS FEA建立模型，并通過(guò)敷設(shè)冷卻水管的辦法降低沿拱肋方向的溫度差，從而降低鋼管混凝土沿拱肋方向上的不均勻變形.

1　工程概況

成貴鐵路西溪河大橋拱肋長(zhǎng)240 m，拱軸系數(shù)m＝2.2，矢跨比約1/4.364.拱肋高5.7 m，寬3.0 m，每肋由4肢Φ1 100 mm×20 mm鋼管構(gòu)成，其上下弦各由兩肢鋼管與兩塊鋼板組成，鋼板厚20 mm，組合成啞鈴型，沿拱肋方向上截面直徑相等；從拱趾起拱肋兩端連接兩塊16 mm厚鋼板，使拱肋斷面呈箱形.拱肋的布置形式如圖1所示.

圖1　拱肋整體結(jié)構(gòu)形式

本工程通過(guò)在拱肋上敷設(shè)冷卻水管，并通過(guò)溫控系統(tǒng)控制冷卻水管的通水量，其原理是通過(guò)溫度傳感器對(duì)拱肋不同部位進(jìn)行溫度采集，并反饋到計(jì)算機(jī)，從而及時(shí)有效地調(diào)節(jié)各段支水管的開(kāi)合，精確控制散熱速度，以此控制整個(gè)拱肋不同部位的溫差不至過(guò)大，從而減少了由于混凝土水化熱引起的拱肋溫度變形和溫度次內(nèi)力.由于鋼管拱肋較長(zhǎng)，本工程將冷卻系統(tǒng)分成了若干子冷卻系統(tǒng).

本文涉及大跨鋼管混凝土橋拱肋澆筑中拱肋局部溫度和澆筑完成后整體拱肋溫度的控制，控制系統(tǒng)主要由管冷系統(tǒng)、水箱冷卻系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)組成.

本套系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼管混凝土拱肋混凝土澆筑時(shí)拱肋溫度變化的監(jiān)測(cè)，同時(shí)還能根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)澆筑過(guò)程中整體拱肋溫度進(jìn)行控制，有效地減少了混凝土水化熱引起的拱肋溫度變形和溫度次內(nèi)力.本文主要進(jìn)行了管冷系統(tǒng)的參數(shù)敏感性分析.

2　有限元模型的建立

利用有限元軟件MIDAS FEA對(duì)西溪河大橋沿拱肋方向的溫度變化建立模型進(jìn)行分析，選取一天當(dāng)中的最低溫度24.1℃作為初始溫度.對(duì)于邊界條件的選取，主要做如下假設(shè)：①考慮鋼管混凝土與空氣的對(duì)流，假設(shè)外界溫度均勻；②不考慮脫空對(duì)鋼管混凝土的影響.模型基本參數(shù)如表1所示.

表1　模型基本參數(shù)

本文選取承臺(tái)位置的拱肋，取承臺(tái)上部的鋼管拱肋進(jìn)行建模和分析.李永進(jìn)等[7-8]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋼管混凝土長(zhǎng)度大于8 m時(shí)，鋼管混凝土長(zhǎng)度的增加對(duì)鋼管混凝土的溫度場(chǎng)影響很微小，幾乎可忽略，因此，本文選取8 m拱肋用MIDAS/FEA建立模型，如圖2所示.單元尺寸大小選取0.2 m，地基劃分為1 516個(gè)單元，鋼管劃分為9 335個(gè)單元，混凝土劃分為183 484個(gè)單元；應(yīng)力場(chǎng)分析時(shí)在鋼管混凝土的兩端施加約束，假設(shè)基礎(chǔ)保持30℃不變.網(wǎng)格的劃分方法采用FEA中的循環(huán)網(wǎng)格法，網(wǎng)格的類型為四邊形.

圖2　拱肋局部結(jié)構(gòu)模型

邊界條件包括水管與鋼管的熱對(duì)流交換、鋼管與大氣溫度的熱對(duì)流交換、混凝土與大氣溫度的熱對(duì)流；溫度載荷包括水泥水化生熱率（用熱源表示）以及FEA中添加的冷凝管.混凝土的對(duì)流換熱系數(shù)采用固定值14 W/m2，水管使用MIDAS FEA的水化熱中冷凝管命令直接添加.冷卻水管的布置形式如圖3所示.

圖3　冷卻水管的布置形式

外界大氣溫度與絕熱溫升函數(shù)的選取方式如下所示：

（1）外界大氣溫度.

采集于2016年6月25日，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)環(huán)境溫度如表2所示.

（2）絕熱溫升函數(shù).

絕熱溫升由以下公式計(jì)算得出

式中：Q（t）為混凝土絕熱溫升函數(shù)；Q0為混凝土水化熱最高溫度，Q0=mcQd/cρ+mf/50（mc為單位水泥用量；Qd為單位水泥水化熱；mf為摻和料用量）；m為水泥水化速度系數(shù)；t為混凝土齡期.

表2　溫度實(shí)測(cè)值　℃

3　冷卻水管敷設(shè)參數(shù)分析

3.1　通水溫度

冷卻水管的通水溫度對(duì)鋼管混凝土沿拱肋軸線方向上的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)影響較大.因此，本節(jié)分別選取了不通冷卻水時(shí)的鋼管混凝土的溫度場(chǎng)與通入5，10，15，20，25 ℃冷卻水時(shí)鋼管混凝土溫度場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析，冷卻水管間距取0.4 m，冷卻水管管徑取0.03 m，其他參數(shù)不變的情況下，結(jié)果如圖4所示.

拱肋軸線方向上的最大溫差是取沿拱肋軸線方向上的最高溫度與最低溫度的差值.

由圖4可以看出如下規(guī)律：

（1）通入冷卻水后核心混凝土與鋼管的溫度明顯降低，冷卻水的溫度越低，降溫效果越明顯.

（2）在通入25℃的冷卻水時(shí)，鋼管混凝土沿拱肋軸線方向上的溫差很小，僅為3.6℃.

（3）當(dāng)冷卻水的溫度低于15℃時(shí)鋼管混凝土沿拱肋軸線方向上的溫差顯著增大.

通入15℃冷卻水時(shí)鋼管混凝土的溫度云圖如圖5所示，通入25℃冷卻水時(shí)鋼管混凝土的溫度云圖如圖6所示.

圖5　通水溫度為15℃鋼管混凝土內(nèi)溫度場(chǎng)

圖6　通水溫度為25℃鋼管混凝土內(nèi)溫度場(chǎng)

由圖5與圖6對(duì)比可知，通入25℃冷卻水時(shí)鋼管混凝土的外表面溫度分布更加均勻，對(duì)鋼管內(nèi)部溫度影響較小.

未通冷卻水管時(shí)鋼管混凝土內(nèi)最高溫度達(dá)53℃左右，沿拱肋軸線方向上的溫度差為11℃，溫度應(yīng)力16 MPa左右，沿拱肋軸線方向上的溫度應(yīng)力如圖7所示.

圖7　沿拱肋方向上的溫度應(yīng)力分布

從圖7可以看出，當(dāng)不通冷卻水時(shí)，鋼管混凝土的受力很不均勻，在鋼管與腹板交界處溫度應(yīng)力顯著增大.

通入冷卻水的水溫與鋼管混凝土的溫度應(yīng)力差值的關(guān)系如表3所示.

表3　冷卻水溫度與鋼管混凝土溫度應(yīng)力差值的關(guān)系

由表3可以看出，在冷卻水管間距是0.4 m，冷卻水溫度是25℃時(shí)，冷卻水管在降低溫度應(yīng)力方面效果最好.

最大應(yīng)力差值是指沿拱肋軸線方向上不同位置的鋼管外表面受到的最大剪應(yīng)力與最小剪應(yīng)力的差值，當(dāng)差值過(guò)大時(shí)，鋼管外表面受力不均勻，容易引起鋼管的不均勻變形，從而導(dǎo)致局部脫空，甚至?xí)痄摴艿木€性發(fā)生變化.

通入低于15℃冷卻水時(shí)鋼管混凝土的溫度應(yīng)力的差值顯著增大.

3.2　冷卻水管間距

敷設(shè)間距是影響冷卻水管降溫效果的主要因素之一，冷卻水管的敷設(shè)間距直接影響鋼管混凝土溫度場(chǎng)，從而對(duì)溫度應(yīng)力及混凝土的次內(nèi)力產(chǎn)生影響.在保證通水溫度為25℃，本節(jié)分別取了冷卻水管的敷設(shè)間距是 2.0，1.5，1.0，0.8，0.6，0.4 m 的情況進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖8所示.

圖8　冷卻水管間距對(duì)不同觀測(cè)位置溫度的影響

由圖8可以得出如下結(jié)論：

（1）冷卻水管的間距對(duì)冷卻水管的降溫效果影響十分顯著.

（2）冷卻水管的間距直接影響鋼管混凝土的溫度場(chǎng)內(nèi)各單元的溫度情況，但當(dāng)冷卻水管的間距低于0.6 m時(shí)，冷卻水管的間距再減小時(shí)，對(duì)鋼管的表面溫度及最高溫度降低效果有限.

改變冷卻水管的敷設(shè)間距對(duì)鋼管混凝土拱肋的溫度應(yīng)力的影響如表4所示.

表4　冷卻水管敷設(shè)間距對(duì)最大溫度應(yīng)力的影響

冷卻水管的間距對(duì)沿拱肋軸線方向上的鋼管混凝土應(yīng)力變化影響很大，沿拱肋軸線方向上應(yīng)力變化值越大，越容易引起鋼管拱肋的局部變形，在不通入冷卻水時(shí)溫度應(yīng)力的差值為15.8 MPa，鋼管各處受力不均勻，受力較大的位置鋼管產(chǎn)生變形，引起局部脫空.通入冷卻水后溫度差明顯減小，在冷卻水管的間距低于0.6 m后溫度差下降不太明顯.

3.3　冷卻水管管徑

在傳統(tǒng)大體積混凝土水化熱降溫過(guò)程中，冷卻水管的管徑對(duì)混凝土的降溫起到的效果十分明顯，因?yàn)榧哟罄鋮s水管管徑可以增大冷卻水管與混凝土的接觸面積，提高散熱的效率.但是本工程中，增大冷卻水管的管徑對(duì)于混凝土散熱效率的影響卻十分有限，主要是因?yàn)?，?dāng)冷卻水管布置在鋼管外側(cè)時(shí)，增大冷卻水管的管徑不能增大冷卻水管與鋼管混凝土的熱交換面積.冷卻水管管徑變化對(duì)鋼管混凝土溫度場(chǎng)的影響如表5所示.

通過(guò)表5分析可以看出，鋼管混凝土管徑由0.03m增大到0.06 m，鋼管表面溫度下降1.6℃左右，對(duì)于混凝土核心的溫度幾乎不產(chǎn)生影響（僅降低了1.1℃），對(duì)于降低鋼管混凝土溫差影響也較小，只下降了0.5℃.

表5　管徑對(duì)鋼管混凝土不同部位溫度的影響

4　結(jié)論

（1）鋼管混凝土的溫度場(chǎng)隨著冷卻水管間距的減小，沿拱肋軸線方向上的溫度差越來(lái)越小，溫度應(yīng)力隨之減小.當(dāng)冷卻水管的間距低于0.6 m時(shí)，減小冷卻水管間距對(duì)于鋼管混凝土溫度的改變影響很小.在通入25℃的冷卻水時(shí)，冷卻水管的間距取0.4 m時(shí)，鋼管混凝土沿拱肋方向上的最大溫差為3.6℃，拱肋受力較為均勻.

（2）因?yàn)楫?dāng)?shù)刈匀唤绲乃疁厥?5℃左右，在通入25℃的冷卻水時(shí)，鋼管混凝土沿拱肋方向上的溫差很小，鋼管混凝土的溫度應(yīng)力差也顯著降低了，當(dāng)冷卻水的溫度低于15℃時(shí)鋼管混凝土的溫度應(yīng)力顯著增大，溫度應(yīng)力差也增大了.

（3）冷卻水管的管徑對(duì)鋼管混凝土拱肋的溫度改變影響較小，在管徑增大1倍時(shí)，混凝土的溫度改變僅0.5℃.