大體積箱梁混凝土施工期溫度場仿真分析

摘要:金塘大橋60m箱梁混凝土澆筑完成后由于水化作用下使得混凝土內(nèi)外溫度、梯度差等關(guān)鍵問題，介紹了混凝土澆筑后箱梁的溫度場、應力場的變化情況及控制措施。

關(guān)鍵詞:箱梁 溫度場 應力場 分析

0 引言

金塘大橋項目是舟山連島工程重要的組成部分之一，由金塘大橋(主通航孔橋、東通航孔橋、西通航孔橋、非通航孔橋以及金塘側(cè)引橋、淺水區(qū)引橋、鎮(zhèn)海側(cè)引橋)和金塘島連接線組成，全長26.54km。

1 研究目的

箱梁混凝土的澆筑是混凝土施工階段的重要組成部分，澆筑質(zhì)量的好壞直接影響到結(jié)構(gòu)的受力性能。影響混凝土澆筑質(zhì)量的因素主要由以下幾個方面:①水化反應產(chǎn)生的熱量;②混凝土中各種材料力學性能、物理性能和化學性能的差異;③混凝土澆筑工藝。

箱梁大體積混凝土澆筑后產(chǎn)生較大是水化熱。混凝土的導熱性較差，水化熱在混凝土內(nèi)部形成不均勻、非穩(wěn)態(tài)溫度場。造成于內(nèi)外溫升不一致，形成較大的溫度梯度，在內(nèi)外混凝土相互約束作用下產(chǎn)生拉應力，當溫度應力超過混凝土初期的抗拉強度時就會產(chǎn)生裂縫。與此同時，隨著熱量不斷向外散發(fā)，待混凝土達到最高溫度后，混凝土溫度逐漸下降，體積收縮，在約束條件下形成溫度拉應力，也可能產(chǎn)生裂縫。這些裂縫影響到結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性。因此，在橋梁結(jié)構(gòu)大體積混凝土施工過程中，準確預測混凝土內(nèi)部溫度場和應力場分布規(guī)律尤為重要。

2 研究的理論基礎(chǔ)與內(nèi)容

混凝土溫度場的計算按三維瞬態(tài)溫度場來考慮，其不穩(wěn)定溫度場應滿足以下熱傳導微分方程以及相應的初始條件和邊界條件。熱傳導方程為:

限于篇幅，此公式含義不做詳細解釋，請查看相關(guān)書籍

水泥水化熱 水泥水化放熱是水泥中的礦物與水發(fā)生化學反應后放出熱量，由于混凝土是熱的不良導體，所以在體內(nèi)形成了不穩(wěn)定的溫度場。簡化公式為:Q(τ)=

3 有限元模型的建立

選擇三維溫度單元solid70模擬澆筑的混凝土，定義相應的材料性能參數(shù)、導熱系數(shù)、密度和比熱，根據(jù)箱梁的實際施工情況，模擬實際對流和水化熱生成情況。設定混凝土澆筑為兩種情況:①夏季施工，混凝土澆筑溫度為30℃，外界溫度28℃;②冬季施工，混凝土澆筑溫度為6℃，外界溫度5℃。

對于箱梁外圍與空氣接觸的部位，存在著與流體的熱對流。研究時箱梁結(jié)構(gòu)可取一半，對稱面兩邊混凝土溫度場可視為對稱，分析時對稱面可按絕熱邊界條件處理。由于箱梁存在內(nèi)外模，故需要選擇合適的對流換熱系數(shù)來考慮溫度場的影響。確定載荷步:設定計算模型計算時間為72h，每個子步為4h天。在整個施工期的溫度場計算過程中，水泥的水化熱將作為主要的溫度荷載施加在各個節(jié)點上。

4 溫度場變化情況

4.1 夏季施工箱梁的溫度場與溫度應力場 通過計算，得出每一時刻各部位的溫度和各方向的應力。為了便于觀察箱梁內(nèi)部的溫度場及應力場的分布，本文剖取一段箱梁來顯示其內(nèi)部分布情況。由于計算過程中分為較多溫度載荷子步，故只列出部分載荷步的結(jié)果。圖1、2分別為各時間段箱梁內(nèi)部的溫度場，圖3、4分別為各時間段箱梁內(nèi)部的溫度應力場。

4.2 冬季施工箱梁的溫度場與溫度應力場 圖5、6分別為各時間段箱梁內(nèi)部的溫度場，圖7、8分別為各時間段箱梁內(nèi)部的溫度應力場。

5 結(jié)果分析

5.1 溫度計算結(jié)果分析 箱梁內(nèi)部溫度最大值出現(xiàn)在加厚腹板與加厚頂板的接合處的中心位置，最小值出現(xiàn)在箱梁加厚底板與外界接觸的上邊緣以及翼板的邊緣處。各點處溫度升得較快，大約在澆筑后28h左右基本達到最高溫度，隨后開始逐漸降溫，降溫速率較升溫速率緩慢得多。圖9、10分別為夏季與冬季混凝土澆筑后箱梁內(nèi)部最高溫度的節(jié)點隨著時間變化的溫度曲線。

5.2 應力計算結(jié)果分析 結(jié)構(gòu)分析中，在澆筑后升溫的初始階段，混凝土受熱膨脹產(chǎn)生壓應力，但此時混凝土彈性模量較小，因此壓應力也較小，忽略升溫階段產(chǎn)生的壓應力作為安全儲備，直接從降溫階段開始計算混凝土的拉應力。隨著混凝土齡期的增加，混凝土最大拉應力將不斷的增加，其幅度將減緩。

6 結(jié)語

箱梁段拉應力從大到小的順序為:翼緣端部——底板處——頂板處——腹板處。其主要原因是在邊界處的混凝土受到外約束較大，而中心處的混凝土受到邊界約束較少，因此邊界處拉應力要大于中間拉應力。所以箱梁在養(yǎng)護的過程中，其邊界處要盡量采取措施降低溫度應力以達到控制溫度裂縫的目的。

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