特大橋實體橋墩水化熱溫度控制有限元分析

姜 朔

(廣州鐵路(集團)公司動車基地工程建設指揮部，廣東廣州 511400)

廣州動車段走行線特大橋，全長5 575m，共177個橋墩，全部為圓端形實心墩。全線橋墩最大高度27 m，混凝土方量最大達1 100m3。夏季施工時大體積混凝土墩身因為早期水化熱引起混凝土內外溫差過大容易產生較大溫度應力，又由于早期混凝土強度較低，這樣的溫度應力可能會引起墩身混凝土開裂，故需要對水泥水化熱形成的溫度場及墩身應力場進行研究，以便在施工中采取有針對性的措施，防止溫度裂縫出現，從而提高工程的可靠性和耐久性。本文選取具有代表性的75#墩進行有限元分析。

1 有限元模型參數

75#墩身高度為18.00m，長度4.75m，寬度2.00m。1 m3混凝土的配合比為:水泥 570.0 kg，砂2 133.0 kg，碎石3 328.5 kg，水489.5 kg。在實驗室條件下測得的累計水化熱為461 kJ/kg。

主要計算參數取值為:普通硅酸鹽水泥水化熱取為461 kJ/kg;混凝土的密度為2 550 kg/m3;混凝土導熱系數為 240.32 kJ/(m·d·℃);混凝土比熱 0.96 kJ/(kg·℃);水化系數 0.33;混凝土的入倉溫度31.8℃;混凝土的膨脹系數1.0×10-5/℃。

根據施工方案，75#墩在8月份施工，取外界空氣溫度為28℃ ～38℃。混凝土分三次澆筑，每次澆筑6 m，每次澆筑周期為10 d，每0.5 d為一時間步，共60個時間步。由于混凝土彈性模量隨時間變化，混凝土28 d的彈性模量取為3.0×104MPa。

在進行水化熱溫度場分析時，不考慮預應力筋孔道的影響［1-2］，首先，選取熱單元Solid70進行瞬態熱分析［3］，該單元是一個具有導熱能力的三維單元，每個節點只有一個溫度自由度;再將熱分析得到的節點溫度作為體荷載施加在結構單元上進行應力分析;然后將熱單元Solid70轉化為對應的結構單元Solid45，進行應力分析。

2 計算結果分析

2.1 第一次澆筑后墩身溫度場和應力場

2.1.1 溫度場

混凝土澆筑后，初始階段墩身中心區域大部分溫度較高，且溫度分布均勻，隨著表面散熱和中心區域水化熱反應的進行，中心區域溫度變得不均勻［4］，且中心區域溫度升高，4.5 d后達到最大值，10 d后溫度趨向穩定，＜25℃。

在施工過程為了對墩身的溫度場和應力場進行監測，采用埋入式傳感器進行溫度和應力的監測，考慮實際情況，只對第一次澆筑進行監測。計算溫度與實測溫度隨時間的變化如圖1所示。

從圖1(a)可見，計算值與實測值吻合得較好，說明計算正確。墩身中心溫度在混凝土澆筑后4.0 d，4.5 d左右達到最大值55.329℃，相應表面的溫度為29.605℃，之后墩身中心溫度逐漸下降，趨向穩定［5］。在計算和實測中發現，墩身中心溫度出現最大值后下降得不是很快，這是由于該橋墩是實心橋墩，內部水化熱反應進行的時間較長，這和一般的空心橋墩有區別。墩身外表面溫度整體在下降，一是由于表面混凝土水化熱反應的進行，二是由于在第6 d后模板拆除，同時受到外界氣溫的影響，外表面溫度出現波動［6］。由圖1(b)可見，墩身內外溫差在混凝土澆筑后4 d達到最大值，到9 d時內外溫差≤25℃。

圖1 計算值與實測值對比

2.1.2 考慮墩身重力梁體的應力場分析

考慮墩身重力對梁體的應力場進行分析［7］，計算與測試的拉應力和壓應力對比如圖2所示。

圖2 計算與測試的拉應力和壓應力對比

1)第一段澆筑后，水化熱作用進行得還不充分，墩身中間大部分區域處于受壓狀態，隨著表面與中心溫差的加大，表面出現拉應力，中心為壓應力。這是由于內外溫差的不斷增大，導致兩者的變形不一致，表面對中心有阻礙作用，因此在表面產生不斷增大的拉應力，中心區域為壓應力，在澆筑后第6 d出現最大拉應力，大小為2.65mPa，隨后隨著水化熱作用的不斷減小，內外溫差的減小，表面拉應力和中心壓應力減小。在這一過程中拉應力大于2.20mPa(C30混凝土的極限抗拉強度)，將出現裂縫，這與實際觀測中在橋墩底部出現的裂縫相吻合。

2)由水化熱溫度變化曲線和應力變化曲線可以看出，溫度變化曲線上升較陡，而下降卻很緩慢。這是因為在早期混凝土溫度急劇升高階段，混凝土的彈性模量小，松弛系數也小，升高相同溫度引起的壓應力小，到了后期混凝土降溫階段，混凝土的彈性模量大，松弛系數也大，降低相同溫度引起的拉應力要大。這樣就會在混凝土內留下殘余的拉應力。

2.2 第二次澆筑后墩身溫度場和應力場

2.2.1 橋墩溫度場

根據主墩施工方案可知，第2節段的混凝土是在第1節段澆筑完10.0 d后開始澆筑。在0.5 d由于受前一節段和外界的影響，表面溫度分布不均勻，表面散熱后，表面的溫度逐漸趨向一致，在4.5 d后中心溫度達到最大值，由于為實心橋墩，中心散熱較慢，雖然在4.5 d后中心溫度逐漸減小，但是減小的幅度較小。

2.2.2 橋墩應力場［8-9］

在澆筑0.5 d后，由于溫度的影響，表面的拉應力并不均勻，隨著外表面的散熱，外面的拉應力逐漸趨向均勻，在6.5 d后拉應力達到最大值2.11 MPa，隨后減小，內外應力趨向均勻，壓應力范圍擴大。在此過程中拉應力的最大值＜2.20mPa，所以沒有開裂，這與實際觀測情況相符。

2.3 第三次澆筑后墩身溫度場和應力場

第3節段的混凝土是在第2節段澆筑完10.0 d后開始澆筑。橋墩溫度場和應力場的變化趨勢與第2階段類似，所不同的是橋墩外表面的拉應力在4.5 d后達到最大值2.01 MPa，隨后減小，拉應力的最大值＜2.20mPa，沒有開裂。

3 水化熱參數敏感性分析

3.1 混凝土澆筑溫度的影響

混凝土的澆筑溫度與水化熱反應有密切關系［10］，降低澆筑溫度將有助于改善橋墩水化熱反應，本文選擇澆筑溫度在17.0℃，20.0℃，25.0℃和31.8℃，分析水化熱反應，在不同澆筑溫度下中心溫度變化曲線和內外溫差變化曲線如圖3所示。

圖3 不同澆筑溫度的影響

由圖3可知:澆筑溫度對橋墩中心溫度的影響很明顯，隨著澆筑溫度的升高，橋墩中心溫度升高，在不同澆筑溫度下，橋墩中心溫度出現最大值的時間不同，17.0℃的時候在7 d，20.0℃的時候在6.5 d，25.0℃的時候在6 d，31.8℃的時候在5.5 d。當澆筑溫度在17℃時，內外溫差都在15℃以下，能夠滿足溫度控制的要求。

3.2 混凝土骨料巖性的影響

混凝土的導熱性能與水化熱反應也有較大的關系，從配料上看，石子所占的比例越大，對混凝土的導熱性能影響越明顯，其中石子有玄武巖、白云巖、石灰巖、石英巖、流紋巖和花崗巖。選取這幾種材料分別計算不同的石子材料對橋墩水化熱的影響，見圖4。

圖4 不同混凝土骨料巖性的影響

由圖4可知:使用不同的巖石做混凝土骨料會使橋墩中心溫度不同，其中使用玄武巖、流紋巖時橋墩中心的溫度最高，使用石英巖橋墩中心的溫度最低;使用不同的巖石，橋墩中心出現最高溫度的時間不同，越早出現溫度最大值，橋墩的中心溫度越低;使用不同的巖石，橋墩內外溫差不同，其中使用玄武巖，內外溫差最大，使用石英巖，內外溫差最小，所以在滿足強度要求的條件下，盡量選用使橋墩水化熱反應溫度較低的巖石。

3.3 不同模板的影響

不同模板導致橋墩邊界條件不同，亦會使空氣對流系數不同，本文分別選取木模板和鋼模板進行計算分析，見圖5。

從圖5可以看出，不同的模板對橋墩中心溫度有影響，但是影響不大;不同的模板對橋墩內外溫差影響較大，其中使用木模板時，內外溫差相對較小，這是由于鋼模板的空氣對流系數大，橋墩表面散熱較快，導致內外溫差較大。

圖5 不同模板的影響

4 結論

本文應用ANSYS有限元軟件，建立橋墩水化熱分析模型，得出了溫度場和應力場的變化規律，并對不同澆筑溫度、不同混凝土骨料巖性和不同模板的影響等進行參數敏感性分析。研究結果表明:隨著澆筑溫度的降低，橋墩水化熱反應最高溫度降低;在滿足強度要求的前提下，選用石英巖做混凝土骨料能使橋墩水化熱溫度最低;選用木模板對減小橋墩內外溫差有益。

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