周大為，鄧年春*,2，石拓

(1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 廣西 南寧 530004;2.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西 南寧 530004)

0 引言

鋼管混凝土拱橋因其優(yōu)異的結(jié)構(gòu)性能在我國(guó)得到迅速發(fā)展，隨著建設(shè)需要，其跨徑不斷得到突破[1]。為了滿足結(jié)構(gòu)安全需要，拱肋截面鋼管直徑也勢(shì)必相應(yīng)增大，從而使得拱肋混凝土水化熱問題顯得更加突出。一方面，混凝土內(nèi)部溫度場(chǎng)在水化過程中受其影響，使得截面溫度應(yīng)力劇烈變化?；炷了Y(jié)使得內(nèi)部溫度迅速上升，待水化放熱速率低于對(duì)外散熱速度時(shí)開始降溫，此時(shí)混凝土遇冷變形，從而使得混凝土和鋼管黏結(jié)面上的混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力減小二者黏結(jié)力[2]，可能導(dǎo)致鋼管混凝土脫黏和混凝土開裂問題；另一方面，管內(nèi)混凝土灌注后的凝結(jié)硬化中，在內(nèi)部自身熱、外部氣溫及太陽輻射共同作用下，在空鋼管合龍的基礎(chǔ)上積累了一部分初應(yīng)力，所以鋼管混凝土拱橋的基準(zhǔn)維度應(yīng)以該應(yīng)力進(jìn)行反推求得。因此整個(gè)混凝土水化過程的溫度變化對(duì)于合龍溫度的研究至關(guān)重要。

林春姣等[3-4]對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，自灌注至成型過程進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并對(duì)不同截面形式的拱肋成型過程的水化溫度分布，采用理論計(jì)算的方法進(jìn)行了研究。研究表明：管內(nèi)混凝土凝結(jié)硬化過程中放熱引起的溫度對(duì)拱肋應(yīng)力影響較大，不同形式的拱肋對(duì)其溫度分布亦有影響。孫國(guó)富等[5]研究認(rèn)為：混凝土由于減水劑和膨脹劑的添加，使得其灌注完畢后存在較長(zhǎng)的誘導(dǎo)期，在誘導(dǎo)期結(jié)束后迅速升溫，且截面尺寸與截面水化溫差呈現(xiàn)正相關(guān)。黃福云等[6]對(duì)百崎湖三跨鋼管混凝土拱橋進(jìn)行了實(shí)橋溫度監(jiān)測(cè)；林春姣等[7]以某啞鈴型鋼管混凝土拱橋?yàn)橐劳?，?duì)其拱肋成型過程進(jìn)行了溫度監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，研究了水化溫度對(duì)結(jié)構(gòu)施工過程的影響。為了描述混凝土水化凝結(jié)放熱規(guī)律，朱伯芳[8]認(rèn)為可采用指數(shù)式、雙曲線式以及復(fù)合指數(shù)式等計(jì)算模型，對(duì)其進(jìn)行理論分析。林春姣等[9-11]對(duì)水化放熱模型進(jìn)行了系列試驗(yàn)和計(jì)算研究，認(rèn)為復(fù)合指數(shù)式模型相對(duì)更為精確。彈性模量及力學(xué)參數(shù)是計(jì)算截面溫度應(yīng)力及全橋溫度效應(yīng)的關(guān)鍵，混凝土在硬化過程中彈性模量的升高與混凝土水化放熱幾乎同步進(jìn)行。朱伯芳[8]對(duì)大量混凝土彈性模量隨材齡變化進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后認(rèn)為，混凝土彈性模量采用復(fù)合指數(shù)式計(jì)算模型較好。但上述研究?jī)H考慮了齡期的影響，目前有研究認(rèn)為溫度對(duì)混凝土強(qiáng)度及力學(xué)參數(shù)的影響不可忽略[12-14]。

雖然鋼管混凝土水化熱問題已經(jīng)得到了一定的研究，但主要集中在中東部地區(qū)的鋼管混凝土構(gòu)件，對(duì)青藏高原地區(qū)大型鋼管混凝土水化熱試驗(yàn)研究目前還較少。本文對(duì)川藏鐵路拉林線雅魯藏布江大橋進(jìn)行同尺寸試驗(yàn)拱混凝土灌注試驗(yàn)，管內(nèi)布置溫度傳感器，在混凝土灌注完畢后對(duì)核心混凝土水化放熱進(jìn)行長(zhǎng)期溫度監(jiān)控并結(jié)合有限元分析，探討青藏高原地區(qū)大管徑鋼管混凝土水化放熱規(guī)律。

1 工程概況

川藏線重點(diǎn)工程——藏木特大橋，采用一跨過江方案，為我國(guó)目前跨徑最大的鐵路鋼管混凝土拱橋，其跨徑達(dá)430 m。整座橋梁為連續(xù)梁結(jié)合鋼管混凝土拱橋建造而成，兩側(cè)分別為71.6 m和62.6 m的連續(xù)梁橋，中部為鋼管混凝土拱橋。橋梁的主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，其沿橋梁縱向共分為5跨。鋼管混凝土拱橋拱肋橫截面為桁式截面，拱腳部分節(jié)段弦管為1.8 m管徑的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，其他節(jié)段采用1.6 m管徑的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。全橋拱肋結(jié)構(gòu)中，弦管由Q420鋼管灌注C60高強(qiáng)混凝土成型而成，其余拱肋結(jié)構(gòu)均由Q345鋼材制作而成。

2 試驗(yàn)概況

為確定鋼管混凝土拱橋在外界自然條件下的內(nèi)部溫度分布情況及規(guī)律，為在青藏高原地區(qū)設(shè)計(jì)此類橋梁提供準(zhǔn)確的溫度效應(yīng)計(jì)算參數(shù)，對(duì)川藏鐵路拉林線雅魯藏布江大橋進(jìn)行足尺寸試驗(yàn)拱溫度試驗(yàn)。試驗(yàn)選址于西藏山南地區(qū)雅魯藏布江邊，靠近川藏鐵路拉林線雅魯藏布江大橋橋址處。以實(shí)橋拱頂至拱腳75 m節(jié)段建立試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，試?yàn)現(xiàn)場(chǎng)見圖1。試驗(yàn)拱由與雅魯藏布江大橋相同管徑1 600 mm，壁厚20 mm的鋼管制作而成。試驗(yàn)拱由5組中間設(shè)置了橫撐的立柱進(jìn)行支撐。

以靠近拱頂位置作為試驗(yàn)測(cè)試截面，其中溫度傳感器由熱敏電阻制成，與采集系統(tǒng)適配，采集精度達(dá)到0.1 ℃。采集儀器選用基康無線溫度采集系統(tǒng)。采集頻率設(shè)置為10 min/次。測(cè)點(diǎn)布置見圖2。截面沿豎向和橫向共布置13個(gè)溫度傳感器。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置圖

2.1 管內(nèi)混凝土灌注

試驗(yàn)拱管內(nèi)混凝土灌注時(shí)間為2018年5月，其中5月份大氣溫度實(shí)測(cè)值如圖3所示?；炷凉嘧⒉捎门c實(shí)橋相同的三級(jí)泵送灌注方案，其中三級(jí)接力真空輔助灌注為核心技術(shù)，拱肋混凝土三級(jí)灌注布置如圖4所示，具體流程如下：

① 泵送砂漿潤(rùn)滑管道，然后打開安裝好的真空系統(tǒng)，將鋼管內(nèi)抽真空至負(fù)壓-0.09 MPa。穩(wěn)壓10 min后，開通閥門，進(jìn)行混凝土一級(jí)灌注。如圖4(a)所示。

② 待一級(jí)灌注結(jié)束，關(guān)閉一級(jí)進(jìn)漿管道出漿管道，轉(zhuǎn)換進(jìn)入混凝土二級(jí)灌注。打開二級(jí)進(jìn)漿管道泵送混凝土。如圖4(b)所示。

③ 待二級(jí)灌注結(jié)束，關(guān)閉二級(jí)進(jìn)漿管道出漿管道，轉(zhuǎn)換進(jìn)入混凝土三級(jí)灌注。打開三級(jí)進(jìn)漿管道泵送混凝土。最后，繼續(xù)泵送，出漿管冒出濃漿，整個(gè)混凝土灌注過程結(jié)束，如圖4(c)所示。

圖3 氣溫時(shí)程變化

(a) 一級(jí)灌注

2.2 水化熱數(shù)據(jù)分析

從灌注混凝土起對(duì)管內(nèi)混凝土測(cè)點(diǎn)溫度變化進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)。為對(duì)比日照對(duì)鋼管混凝土水化放熱的影響，取有日照影響測(cè)點(diǎn)及陰影處測(cè)點(diǎn)的溫度變化曲線進(jìn)行分析，分別如圖5、圖6所示。各測(cè)點(diǎn)溫度均呈現(xiàn)出先波動(dòng)變化后迅速上升至溫度峰值再緩慢下降直至趨于大氣溫度，到達(dá)穩(wěn)定階段后受大氣溫度變化的影響呈現(xiàn)周期性變化，其中外部測(cè)點(diǎn)溫度受外部環(huán)境影響較大，變化幅度較大；內(nèi)部測(cè)點(diǎn)受大氣溫度影響較小，變化幅度較小。

圖5 陽面測(cè)點(diǎn)溫度變化

圖6 陰面測(cè)點(diǎn)溫度變化

混凝土初始入倉溫度為28.3 ℃，混凝土灌注采用三級(jí)泵送灌注方案，混凝土在管內(nèi)處于流動(dòng)狀態(tài)直至充滿鋼管內(nèi)部，故而各測(cè)點(diǎn)初始溫度有約3～5 ℃的溫差。管內(nèi)混凝土由于外加劑(減水劑、膨脹劑)的摻入，使得混凝土沒有立刻發(fā)生水化反應(yīng)，存在誘導(dǎo)期約4～5 h。管內(nèi)緩凝土灌注完畢4～5 h后水化熱劇烈釋放，在灌注完畢22 h左右(即水化開始后約17 h)達(dá)到溫度峰值。對(duì)比圖5和圖6發(fā)現(xiàn)，內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)溫度相較于外側(cè)測(cè)點(diǎn)溫度受日照影響較小，且陽面與陰面內(nèi)外測(cè)點(diǎn)溫差極值相差約3～4 ℃，故認(rèn)為日照對(duì)截面溫差影響較??；外部測(cè)點(diǎn)達(dá)到溫度峰值時(shí)刻較圓心基本一致，達(dá)到較穩(wěn)定溫度時(shí)刻早約3 d。

以背陰面為例，灌注完畢后22 h左右核心混凝土達(dá)到水化熱溫度峰值近100 ℃，溫度峰值時(shí)刻，管內(nèi)混凝土因水化而產(chǎn)生的溫差達(dá)42 ℃。測(cè)點(diǎn)7由于靠近截面外側(cè)受外部影響較大且鋼管散熱率較高，使得該測(cè)點(diǎn)溫度上升較為緩慢；測(cè)點(diǎn)4升溫速度最快且升溫過程中曲線平滑，說明內(nèi)部混凝土升溫過程受外部環(huán)境溫度周期變化影響較小；測(cè)點(diǎn)5、6、7在降溫階段受外部環(huán)境溫度的諧波變化影響，溫度呈現(xiàn)波動(dòng)下降狀態(tài)。上述各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化情況表明：混凝土中摻入緩凝劑及減水劑后的水化情況較普通硅酸鹽水泥水化過程差異較大，在進(jìn)行有限元數(shù)值計(jì)算時(shí)應(yīng)充分考慮該類混凝土的誘導(dǎo)期。

2.3 水化溫度場(chǎng)有限元計(jì)算分析

2.3.1 水化放熱模型

圖7 計(jì)算模型

本次試驗(yàn)采用C60無收縮混凝土進(jìn)行灌注。針對(duì)拱肋進(jìn)行水化分析時(shí)可將三維空間溫度問題轉(zhuǎn)化為二維平面問題進(jìn)行計(jì)算，參考[9]采用復(fù)合指數(shù)式水化計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算分析，見公式(1)?；谟邢拊浖嗀NSYS熱分析模塊，采用熱分析單元PLANE55號(hào)單元進(jìn)行計(jì)算分析，劃分網(wǎng)格后的模型見圖7。整個(gè)截面劃分為1 360個(gè)單元和4 155個(gè)節(jié)點(diǎn)。雅魯藏布江特大橋拱肋鋼管均采用Q420，管內(nèi)灌注C60無收縮混凝土。材料熱膨脹系數(shù)參考英國(guó)《鋼混組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]、美國(guó)《鋼結(jié)構(gòu)建筑荷載系數(shù)設(shè)計(jì)規(guī)范》[16]。

復(fù)合指數(shù)式模型

Q(t)=Q0(1-e-atb)，

(1)

其中：Q(t)為齡期為t時(shí)的總的水化熱(kJ/kg)；Q0為總水化熱量(kJ/kg)；a，b為參數(shù)。

2.3.2 有限元數(shù)值模擬

試驗(yàn)結(jié)果表明，日照對(duì)水化階段截面內(nèi)部溫度影響較小，故本文在進(jìn)行管內(nèi)混凝土水化放熱數(shù)值模擬分析時(shí)，在簡(jiǎn)化計(jì)算量并保證計(jì)算精度的基礎(chǔ)上作以下假設(shè)：鋼管和混凝土接觸良好，二者之間的熱流傳遞連續(xù)不間斷；鋼管混凝土拱肋縱橫比非常大，故認(rèn)為各截面所處環(huán)境基本相同不考慮沿縱向的熱傳導(dǎo)，故可用計(jì)算二維平面問題的方法，計(jì)算拱肋水化溫度分布問題；不考慮日照的影響。取混凝土初始溫度為28.3 ℃、鋼管初始溫度取20 ℃、環(huán)境溫度取2018年5月平均最高和最低氣溫按正弦函數(shù)擬合的日氣溫變化進(jìn)行計(jì)算，五月份當(dāng)?shù)仄骄L(fēng)速約為3級(jí)風(fēng)。計(jì)算中，水化初始時(shí)刻為混凝土誘導(dǎo)期結(jié)束時(shí)刻，即混凝土灌注完畢后5 h為水化初始時(shí)刻。各測(cè)點(diǎn)水化溫度計(jì)算值隨時(shí)間變化情況如圖8所示，其中測(cè)點(diǎn)選擇位置如圖7所示,其中4個(gè)位置的測(cè)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)試驗(yàn)中測(cè)點(diǎn)4～7。

圖8 管內(nèi)混凝土溫度變化

對(duì)比可以看到，復(fù)合指數(shù)式水化計(jì)算模型在各個(gè)測(cè)點(diǎn)處的溫度變化趨勢(shì)較實(shí)測(cè)值均較為相符，核心處溫度峰值相差約4 ℃，截面溫差極值相差約5 ℃，其他測(cè)點(diǎn)峰值溫度及峰值時(shí)刻較為相近。研究結(jié)果表明：日照對(duì)大管徑鋼管混凝土內(nèi)部水化熱影響較小，故在大直徑鋼管混凝土水化熱有限元計(jì)算中可不考慮日照影響以簡(jiǎn)化計(jì)算。各測(cè)點(diǎn)溫度計(jì)算值在考慮外部日氣溫的周期性變化的情況下可以很好地對(duì)應(yīng)管內(nèi)混凝土各測(cè)點(diǎn)溫度的實(shí)測(cè)變化情況，外部測(cè)點(diǎn)受氣溫影響較大，在升降溫過程中均呈諧波狀態(tài)。實(shí)測(cè)值與計(jì)算值基本相符，驗(yàn)證了復(fù)合指數(shù)式水化計(jì)算模型在西藏地區(qū)的鋼管混凝土拱橋混凝土水化放熱溫度計(jì)算上的適用性。核心混凝土水化熱呈現(xiàn)出先上升再下降的內(nèi)高外低的溫度分布狀態(tài)。

3 水化溫度效應(yīng)分析

在計(jì)算鋼管混凝土結(jié)構(gòu)由于水化溫度場(chǎng)引起的溫度應(yīng)力時(shí)，必須考慮彈性模量與混凝土水化齡期的關(guān)系才能得到較為精確的水化溫度效應(yīng)值。當(dāng)前對(duì)于混凝土彈性模量與材齡關(guān)系的描述主要有指數(shù)式、復(fù)合指數(shù)式、雙曲線式以及對(duì)數(shù)式，復(fù)合指數(shù)式模型較其他模型而言具有較高的計(jì)算精度[8]。混凝土彈性模量在灌注7 d左右便可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值的90 %以上。

在水化初期，混凝土釋放大量的熱量使得混凝土與鋼管受熱膨脹，由于此時(shí)刻混凝土強(qiáng)度與彈性模量較低，使得該時(shí)刻截面混凝土溫度應(yīng)力較??；后期，混凝土水化放熱速率低于外部散熱率時(shí)，截面溫度開始下降，此時(shí)混凝土已達(dá)到一定強(qiáng)度，而鋼管遇冷收縮，收縮過程中受混凝土約束產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力。圖9為混凝土截面溫度效應(yīng)圖。圖9(a)表明此時(shí)混凝土徑向受壓應(yīng)力。該時(shí)刻混凝土環(huán)向溫度應(yīng)力如圖9(b)所示，由圖9(b)可知：混凝土和鋼管交界面最大環(huán)向應(yīng)力達(dá)2.9 MPa，該值大于C60混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值2.04 MPa，約等于其抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.85 MPa，極有可能造成混凝土開裂及脫黏問題的發(fā)生。

(a) 徑向

4 水化熱影響因素分析

為降低大直徑鋼管混凝土拱橋拱肋混凝土水化熱引起的不利影響，本文著重研究混凝土入倉溫度和灌注時(shí)外部環(huán)境溫度對(duì)水化熱的影響，尋求合適的灌注條件以降低水化放熱對(duì)結(jié)構(gòu)造成的不利影響。

采用實(shí)橋管徑1.6 m，壁厚36 mm的單圓鋼管為研究對(duì)象進(jìn)行分析。入倉溫度影響分析時(shí)，外部環(huán)境溫度取試驗(yàn)拱灌注時(shí)刻平均溫度20 ℃為定值，考慮入倉溫度分別為5、15、25、35 ℃進(jìn)行分析，核心混凝土水化溫度變化見圖10。環(huán)境溫度影響分析時(shí)，混凝土入倉溫度取20 ℃，分別采用10、20、30、40 ℃模擬川藏鐵路拉林線雅魯藏布江大橋拱肋混凝土各季節(jié)施工環(huán)境溫度。模擬仿真結(jié)果見圖11。

計(jì)算結(jié)果表明：入倉溫度為35 ℃時(shí)的截面極值溫差較入倉溫度為5 ℃時(shí)的截面極值溫差高約17.6 ℃。入倉溫度每升高5 ℃，鋼管混凝土截面溫差極值增大約3 ℃。入倉溫度為20 ℃時(shí)，環(huán)境溫度每升高5 ℃，鋼管混凝土截面最大溫差約降低2.5 ℃。雖然較高的外界環(huán)境溫度使得核心混凝土溫度極值較高，但是較高的外部環(huán)境溫度可使得鋼管混凝土截面的最大溫差較低。各入倉溫度及環(huán)境溫度影響下，鋼管混凝土截面最大水化溫度差值見表1。

圖10 不同入倉溫度混凝土中心溫度變化

圖11 不同環(huán)境溫度混凝土中心溫度變化

表1 截面最大溫差

綜上可知，混凝土在灌注時(shí)可采取措施降低其入倉溫度以達(dá)到降低水化熱影響，如使用冷水甚至冰水進(jìn)行拌制。灌注時(shí)刻溫度不宜過低，冬季施工需要采取保溫措施以降低截面溫度梯度帶來的不利影響，如采用棉被或聚氨酯泡沫保溫層進(jìn)行包裹等。

圖12為分別在鋼管外圍包裹泡沫保溫層和無保溫層條件下的截面各測(cè)點(diǎn)溫度變化情況。計(jì)算中假設(shè)混凝土和鋼管緊密貼合，鋼管和保溫層緊密貼合，其入倉和環(huán)境溫度為20 ℃。由仿真結(jié)果可知，考慮保溫層情況下鋼管混凝土截面最大溫差約為26.3 ℃，發(fā)生時(shí)刻約為2.6 d；小于無保溫層情況下的45 ℃溫差。仿真結(jié)果表明，加設(shè)保溫層雖然推遲了溫度峰值的發(fā)生，但是可以顯著降低截面溫差，并以此來降低水化溫度引起的不利影響。

(a) 有保溫層

5 結(jié)論

對(duì)川藏鐵路拉林段藏木雅魯藏布江特大橋拱肋混凝土灌注過程中水化熱問題及影響因素進(jìn)行試驗(yàn)及有限元計(jì)算研究，得到以下結(jié)論：

① 鋼管混凝土拱肋混凝土水化呈現(xiàn)先上升再下降的內(nèi)高外低的溫度分布狀態(tài)；水化初期，混凝土水化放熱迅速使得管內(nèi)混凝土溫度較高，由于此時(shí)混凝土彈模較小和徐變影響，混凝土的應(yīng)力較小。水化后期，混凝土水化放熱量減小直至結(jié)束，此時(shí)混凝土形成強(qiáng)度，會(huì)在和鋼管接觸處產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。

② 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)與外界環(huán)境熱交換計(jì)算的關(guān)鍵在于邊界條件的準(zhǔn)確施加。水化過程中太陽輻射對(duì)截面內(nèi)部溫度分布影響較小，故在對(duì)大管徑鋼管混凝土水化熱計(jì)算時(shí)可不考慮太陽輻射邊界條件以簡(jiǎn)化計(jì)算。

③ 混凝土中摻入緩凝劑及減水劑使得混凝土灌注后存在水化誘導(dǎo)期。對(duì)該類混凝土進(jìn)行水化溫度分布數(shù)值計(jì)算時(shí)需對(duì)混凝土水化誘導(dǎo)期予以重視，以得到符合實(shí)測(cè)的數(shù)值解。以誘導(dǎo)期結(jié)束為水化初始時(shí)刻，結(jié)合復(fù)合指數(shù)式計(jì)算模型可以較好地描述西藏地區(qū)大管徑鋼管混凝土水化放熱規(guī)律。

④ 混凝土入倉溫度和外界環(huán)境溫度對(duì)管內(nèi)混凝土水化影響很大，其中：入倉溫度每升高5 ℃，鋼管混凝土截面溫差極值增大約3 ℃；環(huán)境溫度每升高5 ℃，鋼管混凝土截面最大溫差約降低2.5 ℃?；炷涟柚瓶捎脹鏊虮源藖斫档推淙雮}溫度過高引起較大的截面溫度梯度；在混凝土水化過程中采用保溫層包裹鋼管可有效降低鋼管混凝土截面的溫差，降低水化對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。