異型箱梁截面水化熱溫度效應研究

汪 旭

(重慶大學城市科技學院，重慶 402167)

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異型箱梁截面水化熱溫度效應研究

汪 旭

(重慶大學城市科技學院，重慶 402167)

以湘潭市某斜拉拱橋的健康檢測項目為背景，建立邊跨混凝土箱梁X1號梁段的有限元實體模型計算由水化熱引起的溫度應力，計算結果顯示，腹板與橫隔板交界處、翼緣板外側、底板下緣處的溫度應力超過了混凝土的極限抗拉強度，這些區域與施工監控過程中觀測到的翼緣板外側、腹板與橫隔板交界處的早期裂縫有較好的吻合性，可以初步判斷該裂縫的成因與水化熱溫度效應有一定的關系。

異型箱梁截面，有限元分析，水化熱，溫度應力

0 引言

近幾年,隨著橋梁建設的飛速發展,箱梁截面得到了廣泛的應用，箱梁截面扭轉剛度大，鋪設管道方便，越來越得到廣大設計人員的認可。然而，隨著橋梁跨度越來越大，截面尺寸也越來越大，導致水泥在水化過程中產生的水化熱積聚在截面內部不易散發出來，形成了較大的溫度梯度和溫度應力，進而引起了溫度裂縫，裂縫一旦出現便容易導致鋼筋銹蝕，從而影響結構的耐久性，因此，箱梁截面的水化熱溫度效應應引起工程界的重視。

1 工程概況

本文以湘潭市某斜拉拱橋的健康檢測項目為背景進行箱梁截面水化熱溫度效應的研究。該橋主跨為鋼管混凝土中承式拱圈，邊跨為預應力鋼筋混凝土上承式拱肋，并以斜拉索輔助受力，橋梁結構總體布置圖見圖1，邊跨箱梁截面的細部尺寸見圖2。

由圖2可以看出該箱梁的外側翼緣板較厚，導致水化熱更加

不易散發出來，加大了截面上的溫度梯度。實際上，該橋邊跨箱梁結構在施工過程中便出現了早期裂縫，因此本文將針對邊跨箱梁結構建立有限元實體模型，模擬水泥的水化過程，判斷早期裂縫的出現是否與水化熱溫度效應有關。

2 斜拉拱橋邊跨箱梁有限元實體模型的建立

本文將選取邊跨箱梁中X1號梁段建立有限元實體模型，模擬水泥水化作用，計算水化熱溫度場與溫度效應。X1號梁段包括4.5 m長的大體積實腹段，位于該斜拉拱橋邊跨箱梁靠近引橋側的支座位置，其有限元實體模型見圖3。

建立有限元實體模型對水泥的水化過程進行仿真模擬時，需要定義混凝土的熱力學參數，并根據實際施工過程定義初始條件和邊界條件。

2.1 混凝土力學參數的確定

1)抗壓強度。本文采用日本規范中關于立方體抗壓強度隨時間變化情況的規定。

其中，fcu,k(t)為立方體抗壓強度隨齡期的變化；a，b，d均為水泥類型系數，普通硅酸鹽水泥a=4.5，b=0.95，d=1.11；fcu,28為28 d齡期C50混凝土立方體抗壓強度標準值,為50 N/mm2。

2)抗拉強度。GB 50010—2010混凝土結構設計規范中關于抗拉強度隨時間的變化情況的規定如下式所示：

其中，α2為脆性折減系數；δ為變異系數。

本文中箱梁結構采用C50混凝土，δ為0.11，α2取0.967 5，根據上式的計算結果自行輸入混凝土抗拉強度。

3)彈性模量。GB 50010—2010混凝土結構設計規范中關于混凝土彈性模量的計算公式如下式所示：

4)收縮徐變。混凝土的收縮應變和徐變系數根據“中國JTG D62—2004”的相關規定采用。

2.2 混凝土熱力學參數的確定

實際施工過程中所采用的混凝土配合比如表1所示，據此可計算出各項熱力學參數。

表1 C50混凝土的實際配合比

修正系數:kc=1.05。

比熱:CC50=kc×(0.456×19.92+0.699×22.94+0.716×48.78+4.187×8.36)/100=0.998 kJ/(kg·℃)。

混凝土的密度：ρC50=2 450 kg/m3。

導熱系數:λC50=(4.446×19.92+11.129×22.94+10.505×48.78+2.16×8.36)/100=8.746 kJ/(m·h·℃)。

導溫系數:

熱膨脹系數為1×10-5。

2.3 邊界條件和初始條件

進行水化熱分析時，除了定義支承邊界外，還需要定義每個接觸面的對流邊界系數。混凝土和空氣直接接觸時，其放熱系數的計算公式如下：

粗糙表面：β=23.9+14.5va或β=21.1+14.60F1.4.2。

光滑表面：β=21.8+13.53va或β=18.5+12.86F1.4.2。

其中，va為風速，m/s；F為風力等級；β為放熱系數，kJ/(m2·h·℃)。

當混凝土表面附有模板或保溫層時，混凝土表面通過模板或保溫層向周圍介質放熱。等效放熱系數βs計算方法如下：

本文中X1號梁段采用滿堂支架施工，施工過程中首先澆筑底板、腹板和實腹段，再對橫隔板和頂板兩個階段進行澆筑，初始溫度為20 ℃，并且根據施工日志的記錄可知，混凝土澆筑時采用木模板，木模板的放熱系數為β=21.06 kJ/(m2·h·℃)，導熱系數為λ=0.837 kJ/(m·h·℃)，因此可以按照上式得到等效放熱系數β木模板=15.57 kJ/(m2·h·℃)。第一個施工階段與第二個施工階段的時間間隔內混凝土暴露在空氣中，此時放熱系數β=21.06 kJ/(m2·h·℃)。另外，第二階段混凝土澆筑完畢后頂面覆蓋2 cm厚草袋進行養護，草袋在空氣中的放熱系數為β=38.64 kJ/(m2·h·℃)，導熱系數λ=0.502 kJ/(m·h·℃)，等效放熱系數β保溫層=15.18 kJ/(m2·h·℃)。

3 斜拉拱橋邊跨箱梁水化熱溫度效應分析

3.1 水化熱溫度場分析

X1號梁段縱向剖面圖如圖4所示，另取代表截面Ⅰ—Ⅰ進行水化熱溫度場和溫度應力的分析，截面上測點布置情況如圖5所示，Ⅰ—Ⅰ截面各測點的溫度變化情況如圖6所示。

由圖6可知：混凝土的升溫過程很迅速，在澆筑后的第1天～第3天溫度達到最大值，中心測點1-10在混凝土澆筑后的第3天溫度最高為52.22 ℃，表面測點1-3，1-7在混凝土澆筑后第1天溫度達到最高值38 ℃。

結構降溫過程相對緩慢，并且表面測點的降溫速度比中心測點的降溫速度快，表面各測點的溫度在30 d時基本降到20 ℃，而此時中心測點1-10溫度仍在26 ℃以上，這是由于混凝土的導熱性能比較差導致結構內部的水化熱不易散發，從而使截面上形成了從內至外的溫度梯度。

另外，由圖6還可以看出，結構中最大溫差的出現時間較最高溫度的出現時間呈現一定滯后性，6 d時最大溫差達29.76 ℃，30 d時仍有6 ℃的溫差。

3.2 水化熱溫度應力分析

本文利用有限元軟件MIDAS FEA計算結構由水化熱溫度效應引起的混凝土主拉應力大小，仍然選取Ⅰ—Ⅰ截面分析結構表面的主拉應力隨時間的變化規律，并與混凝土的極限抗拉強度進行對比。Ⅰ—Ⅰ截面上各測點的溫度應力隨時間的變化規律如圖7和圖8所示。

由圖7和圖8可以看出：溫度應力隨著腹板高度方向高度越小，溫度應力越小，測點1-1的主拉應力在30 d時有最大值為5.49 MPa，另外2號～8號測點的主拉應力均超過了混凝土的抗拉強度，極易導致混凝土開裂。

圖9～圖12為整個澆筑過程中X1號梁段各點產生的最大主拉應力云圖。

圖9～圖12中白色等值線代表混凝土的極限抗拉強度值，等值線以內或以外區域即為混凝土的應力超限區域，主要包括腹板與橫隔板交界處、翼緣板外側、底板下緣，這與施工監控過程中觀測到的翼緣板外側、腹板與橫隔板交界處的早期裂縫有較好的吻合性，因此可以初步判斷該裂縫的成因與水化熱溫度效應有一定的關系。

4 箱梁水化熱溫控措施

混凝土一旦出現裂縫會影響結構的安全性、適用性和耐久性，并且裂縫的修補工作會耗費大量的人力物力，因此應采用有效的措施避免溫度裂縫的出現。

箱梁的水化熱溫度效應控制可以從以下幾方面考慮：1)箱梁的設計過程中應注意合理優化箱梁截面，避免出現局部體積過大的情況，不可避免時應注意設置分層澆筑混凝土，從而避免一次性澆筑混凝土而帶來的水化熱積聚增大溫度梯度的現象。2)水泥發生水化反應是溫升的直接原因，因此宜選擇低熱高強并具有優良的抗拉性能的水泥，并在保證混凝土強度和流動性的前提下降低水泥用量。3)混凝土的入模溫度過高會加速水化反應釋放更多的水化熱，因此應采取有效措施降低混凝土的入模溫度。4)在混凝土養護時盡量減小內外溫度差，如預埋冷水管做降溫處理。

[1]朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制.北京：中國電力出版社，1999.

[2]葉見曙，賈 琳.混凝土箱梁溫度分布觀測研究.東南大學學報，2002,32(5):788-793.

[3]朱伯芳.考慮溫度影響的混凝土絕熱溫升表達式.水力發電學報，2003:2(81)：69-73.

[4]周 履，陳永春.收縮徐變.北京：中國鐵道出版社，1994.

[5]朱伯芳.再論混凝土彈性模量的表達式.水利學報，1996(3):89-92.

[6]JTG D60—2004，公路橋涵設計通用規范.

Study on hydration heat temperature effect of alien box girder

Wang Xu

(CityCollegeofScienceandTechnology,ChongqingUniversity，Chongqing402167,China)

Taking the health detection project of a able-stayed arch bridge in Xiangtan as the background, this paper establishs the finite element entity model of the side span concrete box girder beam’s No.X1 block to calculate the temperature stress caused by hydration heat. The results show that the temperature stress at the junction of the flange plate and the web plate, outside of the flange plate and at the bottom of the floor higher than the ultimate tensile strength of concrete. These areas have good match with the early cracks at the junction of the flange plate and the web plate and outside of the flange plate found in construction monitoring. So we can preliminary determine the cause of the cracks and has a certain relationship with hydration heat temperature effect.

alien box girder， finite element analysis， hydration heat， temperature stress

1009-6825(2015)21-0147-03

2015-05-18

汪 旭(1988- )，男，助教

U448.213

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