羅緒昌,崔鳳坤

(1.濟(jì)南市交通工程質(zhì)量與安全中心,山東 濟(jì)南 250013;2.山東交通學(xué)院,山東 濟(jì)南 250357)

1 引 言

目前,隨著橋梁跨徑的不斷增大,連續(xù)箱梁整體結(jié)構(gòu)尺寸也在不斷增大,其中箱梁0#塊作為連續(xù)梁的首段結(jié)構(gòu),其具有體積大、混凝土用量多的特點(diǎn)[1]。混凝土澆筑過(guò)程中,隨著水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行,箱梁0#塊結(jié)構(gòu)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量的熱量,而且混凝土結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱性能較差,熱量短時(shí)間內(nèi)不易散失,因此結(jié)構(gòu)內(nèi)部會(huì)形成較大的溫度應(yīng)力,進(jìn)而使得箱梁0#塊產(chǎn)生溫度裂縫,影響結(jié)構(gòu)的使用性能[2]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)箱梁水化熱溫度場(chǎng)進(jìn)行了一定的研究。其中,劉小燕等[3]針對(duì)冬季施工的箱梁水化熱效應(yīng)進(jìn)行了研究,并針對(duì)水化熱溫度效應(yīng)控制提出建議;臧華等[4]結(jié)合三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)理論,利用大型有限元軟件Ansys分析了箱梁水化熱溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律,為水化熱溫度和溫度應(yīng)力的控制提供了合理建議;汪建群等[5]研究了水化熱對(duì)大跨PC箱梁橋主梁根部混凝土的影響,研究發(fā)現(xiàn)箱梁結(jié)構(gòu)會(huì)在1～2 d內(nèi)達(dá)到溫度峰值,溫度峰值時(shí)腹板表面出現(xiàn)拉應(yīng)力,降溫過(guò)程中則是內(nèi)部受拉;任更鋒等[6]采用理論和實(shí)測(cè)對(duì)比的方式,研究了箱梁0#塊水化熱溫度場(chǎng)變化規(guī)律,研究發(fā)現(xiàn)采用高強(qiáng)混凝土的主梁與采用普通混凝土的承臺(tái)熱力學(xué)性能差別較大,箱梁0#塊不能完全參照《大體積混凝土施工規(guī)范》來(lái)處理。

雖然目前針對(duì)箱梁0#塊的研究不斷增加,但多數(shù)還是針對(duì)截面相對(duì)較窄單箱單室或單箱雙室結(jié)構(gòu)。對(duì)于截面較寬的單箱四室結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)體積更大,混凝土用量更多,受水化熱影響更為顯著。基于大跨超寬截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋,利用有限元軟件midas FEA建立水化熱分析模型,并結(jié)合箱梁現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù),對(duì)其箱梁0#塊水化熱溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。

2 水化熱原理及參數(shù)選擇

(1)熱傳導(dǎo)方程

假設(shè)混凝土為勻質(zhì)且各向同性材料[7],箱梁0#塊混凝土由于其水泥組分發(fā)生水化反應(yīng)產(chǎn)生熱量,因此可以將箱梁0#塊混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場(chǎng)視為內(nèi)熱源溫度,根據(jù)熱傳導(dǎo)理論,將箱梁0#塊混凝土熱傳導(dǎo)方程可以表示為

(1)

式中:x、y、x為熱傳導(dǎo)方向;T為溫度,℃;τ為時(shí)間,h;c為混凝土比熱,kJ/(kg·℃);ρ為混凝土密度,kg/m3;λ為混凝土導(dǎo)熱系數(shù),kJ/(m·h·℃);Q為混凝土單位時(shí)間內(nèi)單位體積內(nèi)產(chǎn)生的熱量,kJ/(m3·h)。

(2)初始條件

初始條件為初始時(shí)刻箱梁0#塊混凝土內(nèi)部的分布規(guī)律,一般認(rèn)為初始條件為常數(shù),即當(dāng)τ=0時(shí)

T(x,y,z,0)=T0(x,y,x)=常數(shù)

(2)

(3)邊界條件

邊界條件為箱梁0#塊混凝土表面與其周圍介質(zhì)之間的相互作用規(guī)律,邊界條件可分為4類,本文箱梁0#塊混凝土溫度場(chǎng)問(wèn)題主要涉及第三類邊界條件,即箱梁0#塊混凝土與其周圍空氣接觸時(shí)表面的熱流量,用公式(3)表示。

(3)

式中:β為混凝土表面熱交換系數(shù),kJ/(m2·h·℃);n為混凝土表面外法線方向;Ta為箱梁0#塊周圍空氣溫度,℃;T為箱梁0#塊表面溫度,℃。

3 試驗(yàn)概況

3.1 工程概況

依托工程為濟(jì)萊高鐵預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋,橋梁跨徑分別為2×75 m,主梁采用單箱四室截面箱梁。箱梁最大高度為7.2 m,箱梁頂寬26.5 m,底寬22.74 m,箱梁頂板厚0.5 m,底板厚1.5 m,腹板厚1.05 m,橫隔板厚2 m,箱梁0#塊全長(zhǎng)13 m。

3.2 試驗(yàn)方案

為研究箱梁0#塊澆筑及養(yǎng)護(hù)階段內(nèi)結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度變化規(guī)律,本試驗(yàn)通過(guò)在箱梁預(yù)設(shè)位置埋設(shè)溫度傳感器,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)混凝土澆筑及養(yǎng)護(hù)過(guò)程中箱梁0#塊混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度變化情況。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)混凝土內(nèi)部及表面溫度變化情況,可以掌握混凝土溫度升降規(guī)律和內(nèi)表溫差的大小,為進(jìn)一步采取溫控措施,減少溫度裂縫的產(chǎn)生提供可靠的支撐,還可以合理規(guī)劃施工進(jìn)度,為拆模提供準(zhǔn)確的時(shí)間。為準(zhǔn)確反應(yīng)溫度場(chǎng)在整個(gè)階段的變化情況,分別在箱梁頂板、底板以及腹板的關(guān)鍵位置埋設(shè)了溫度傳感器,由于橫隔板尺寸較大,有更明顯的大體積混凝土特征,在橫隔板沿梁高方向以及水平方向分別布設(shè)溫度傳感器,用以監(jiān)測(cè)橫隔板溫度變化情況。

4 溫度實(shí)測(cè)值

箱梁0#塊橫隔板核心(傳感器測(cè)點(diǎn)30)溫度和表面(傳感器測(cè)點(diǎn)29)溫度時(shí)程曲線如圖1所示,箱梁0#塊內(nèi)表溫差時(shí)程曲線如圖2所示。由圖1、圖2可知,箱梁0#塊橫隔板核心溫度最大值為72 ℃,混凝土接觸到測(cè)點(diǎn)30的溫度傳感器時(shí),溫度值為23 ℃,因此混凝土最大溫升值為48 ℃;箱梁0#塊頂板溫度最大值為63.4 ℃,混凝土接觸到測(cè)點(diǎn)29的傳感器時(shí)溫度值為22.5 ℃,因此混凝土最大溫升值為40.9 ℃;由內(nèi)表溫差時(shí)程曲線可知,200 h內(nèi)內(nèi)表溫差隨時(shí)間增加而增大,主要是由于表面受環(huán)境溫度影響較大,前期混凝土表面升溫慢,內(nèi)部升溫速度快;后期表面降溫速度較快,而混凝土內(nèi)部降溫速率較慢,箱梁橫隔板內(nèi)表溫差最大為22 ℃,滿足規(guī)范要求。

圖1 核心及表面溫度時(shí)程曲線

圖2 內(nèi)表溫差時(shí)程曲線

5 箱梁0#塊溫度場(chǎng)有限元模擬

5.1 有限元建模

根據(jù)箱梁結(jié)構(gòu)對(duì)稱性,利用有限元軟件midas FEA建立箱梁0#塊結(jié)構(gòu)的四分之一模型。首先導(dǎo)入箱梁0#塊實(shí)體結(jié)構(gòu),再對(duì)實(shí)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分,水化熱模型共劃分11 185個(gè)單元和8 476個(gè)節(jié)點(diǎn)。

材料為C50混凝土,彈性模量3.45×1010N/m2,重量密度2.5×1010N/m2,泊松比0.2,熱膨脹系數(shù)1×10-5,比熱容1.032 kJ/(kg·℃),熱傳導(dǎo)率9.7 kJ/(m·h·℃),單位體積水泥含量為298 kg/m2?；炷寥肽囟葹?3 ℃。

5.2 有限元結(jié)果

(1)有限元與實(shí)測(cè)值對(duì)比分析

箱梁橫隔板核心(測(cè)點(diǎn)30)溫度有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖3所示,箱梁表面(測(cè)點(diǎn)29)溫度有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖4所示。由圖3、圖4可知,實(shí)測(cè)橫隔板核心溫度峰值與有限元計(jì)算溫度峰值均出現(xiàn)在50 h左右,實(shí)測(cè)橫隔板核心溫度峰值為72 ℃,有限元計(jì)算隔板核心溫度峰值為74.2 ℃;實(shí)測(cè)表面溫度峰值與有限元計(jì)算溫度峰值均出現(xiàn)在40～50 h,實(shí)測(cè)表面溫度峰值為63.4 ℃,有限元計(jì)算隔板表面溫度峰值為66.1 ℃。綜上所述,箱梁0#塊溫度有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值基本吻合,說(shuō)明有限元可以有效模擬箱梁0#塊水化熱過(guò)程。

圖3 核心溫度理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖

圖4 表面溫度理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖

(2)有限元結(jié)果分析

箱梁0#塊澆筑完成后300 h內(nèi)各點(diǎn)溫度最大值分布如圖5所示,箱梁0#塊頂板、腹板、底板和橫隔板溫度時(shí)程曲線如圖6所示。由圖5、圖6可知,箱梁0#塊溫度最大值點(diǎn)出現(xiàn)在橫隔板結(jié)構(gòu)中心位置,其原因是橫隔板厚度較大, 混凝土體積大, 此位置

圖5 箱梁0#塊各點(diǎn)溫度最大值分布圖

圖6 溫度時(shí)程曲線圖

也是水化熱溫度控制的重點(diǎn)區(qū)域。由于箱梁腹橫隔板厚度較大,其水化熱產(chǎn)生的熱量最多,因此其中心位置的溫升值最大,最高溫度達(dá)到75.13 ℃,箱梁0#塊混凝土澆筑完成后3～4 d水化熱升溫達(dá)到峰值。相比于橫隔板中心及表面溫度,底板中心及表面溫度相對(duì)較低,其最高溫度也達(dá)到70 ℃,達(dá)到最高溫度的時(shí)間為2～3 d。頂板中心最高溫度為52 ℃,達(dá)到最高溫度的時(shí)間為2～3 d,主要是由于腹板厚度相對(duì)較小,散熱速度相對(duì)較快。

箱梁0#塊截面1位置測(cè)點(diǎn)1至測(cè)點(diǎn)6溫度時(shí)程曲線如圖7所示。由各點(diǎn)溫度時(shí)程曲線并結(jié)合測(cè)點(diǎn)所在位置可知,測(cè)點(diǎn)5最高溫度相對(duì)較大,達(dá)到最高溫度相對(duì)較長(zhǎng),主要是由于測(cè)點(diǎn)5位于底板中心位置,底板相對(duì)較厚,溫度效應(yīng)累計(jì)較多;測(cè)點(diǎn)1最高溫度相對(duì)較小,達(dá)到最高溫度所用時(shí)間相對(duì)較短,主要是由于測(cè)點(diǎn)1位于頂板中心,頂板厚度較小,其溫度受環(huán)境影響較大。

圖7 測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)6溫度時(shí)程曲線

6 結(jié) 論

通過(guò)有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知,利用有限元軟件可以較好地模擬箱梁0#塊的溫度變化情況,本文研究的箱梁0#塊大體積混凝土水化熱可以得到以下結(jié)論。

(1)箱梁0#塊橫隔板最大內(nèi)表溫差為22 ℃,滿足規(guī)范對(duì)于溫控標(biāo)準(zhǔn)的要求。

(2)有限元計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在溫度峰值及其出現(xiàn)的時(shí)間方面基本相同,箱梁0#塊水化熱有限元分析結(jié)果與實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)基本吻合,說(shuō)明有限元可以有效模擬箱梁0#塊水化熱過(guò)程。

(3)箱梁0#塊橫隔板位置溫升值最大,最高可達(dá)75.13 ℃,混凝土澆筑完成后3～4 d溫度達(dá)到最大值,由于內(nèi)部溫度較高,持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),因此在澆筑期間應(yīng)時(shí)刻注意混凝土表面溫度控制,防止內(nèi)表溫差過(guò)大產(chǎn)生溫度裂縫。