大跨度連續箱梁橋零號塊施工水化熱監測與計算分析

楊麗梅

(黑龍江省公路勘察設計院，哈爾濱 150080)

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大跨度連續箱梁橋零號塊施工水化熱監測與計算分析

楊麗梅

(黑龍江省公路勘察設計院，哈爾濱 150080)

摘要：本文以富錦-綏濱松花江特大橋主橋160 m連續梁為依托工程，采用現場實測，結合有限元分析的方法，對箱梁0#塊水化熱溫度場進行研究。結果表明：本文建立的有限元模型與實測結果吻合良好；大橋0#塊各構件里表溫差均小于25℃，滿足規范要求，但底板水化熱最高溫度70.4℃，且在混凝土澆注完成后1～1.5 d溫度達到最大值，是水化熱溫度裂縫重點控制部位，應加強底板鋼筋配置或對底板底模采取一定的保溫措施以降低里表溫差。

關鍵詞：大體積混凝土；零號塊；溫度控制；水化熱；溫度效應

0引言

混凝土的水化熱問題，以往多在懸索橋錨錠、大型承臺基礎工程以及大壩等工程中討論[1-4]。由于這些結構部件現場澆注的混凝土體量大，散熱條件差，需要考慮由于混凝土水化放熱引起的溫度變化和體積變化，并采取措施控制由于混凝土水化熱產生的溫度裂縫。

近年來，隨著橋梁建設水平的提高，預應力混凝土連續梁橋的跨徑越來越大，橋墩附近箱梁0#塊的梁高及澆筑體積也越來越大[5～7]。由于采用高強混凝土，水泥用量較大，水化熱成為大跨連續箱梁橋0#塊施工中一個突出的問題，越來越引起橋梁工程界的注意。最早開始研究橋梁結構及水化熱等溫度效應的是美國的Zuk[8]，隨后研究人員分別對新西蘭[9]、美國[10]、中國[11]、加拿大[12]等的箱梁溫度場進行了觀測和分析。隨著有限元分析技術的進一步成熟和發展，越來越多的研究人員采用橋梁溫度效應的試驗觀測與數值模擬相結合的方法開展相關研究[13-16]。

富錦-綏濱松花江大橋主橋為6×150 m大跨徑連續梁橋，主梁0#塊斷面尺寸較大，構造復雜，采用C50高強混凝土，單方混凝土水泥用量大，因此水化熱成為該橋0#塊混凝土施工中一個突出的問題。本文以富錦-綏濱松花江大橋主橋為依托工程，采用現場實測結合有限元分析的方法，對箱梁0#塊水化熱溫度場進行研究。通過有限元計算結果與實測值的對比分析發現，本文建立的箱梁水化熱有限元模型能夠模擬大跨混泥土箱梁的水化熱溫度場。

1工程概況

富錦-綏濱松花江大橋主橋上部結構采用85 m+6×150 m+85 m變截面預應力混凝土連續箱梁，單箱單室斷面，根部梁高9.0 m，跨中梁高3.5 m，梁高按2次拋物線變化。大橋位于我省東部地區富錦市，是前鋒農場至嫩江公路上的控制性工程。圖1為主橋立面布置圖。

圖1　富綏大橋主橋立面布置圖Fig.1 Fa ade of the main bridge’s layout diagram of Fujin-Suibin Bridge

富綏大橋0#塊箱梁順橋向長9 m，根部高度9 m，底板厚150 cm，腹板厚100 cm，箱梁頂板厚度80 cm。設三道橫隔板，隔板厚度80 cm。本文研究的對象是36#墩頂左幅0#塊，該0#塊在托架上進行澆筑，模板為鋼模，開始混凝土澆筑的時間為2010年7月4日11時，混凝土澆注結束的時間是2010年7月6日4時，歷時42 h，共澆注混凝土430 m3。現場實測混凝土的入模溫度平均為25.3℃。澆筑混凝土時現場實測風速1～2 m/s，混凝土澆筑完成后，覆蓋草袋灑水養護。

為了實測箱梁溫度場，在箱梁0#塊上共布置3個測試斷面，1-1斷面及2-2斷面位于中橫隔板及邊橫隔板上，每個斷面布置5個測點；3-3斷面距離2-2斷面1.4 m，共布置17個測點(測點18為體外大氣溫度測點)。另外，布置3個測點測量箱梁頂面大氣溫度及箱內空氣溫度。斷面位置及測點位置如圖2～圖4所示。

2熱分析有限元計算原理

2.1水泥水化熱的計算

水泥的水化熱與齡期相關，但同時介質溫度對水化熱也是有著重要影響的。

一般指數式的水泥水化熱表達式：

Q(t)=Q0[1-e-mt]。

(1)

式中：t為齡期，d；Q(t)為在齡期t時的累積水化熱，KJ/Kg；Q0為t→∞時的最終水化熱，KJ/Kg；m為常數，隨水泥品種、比表面及澆筑溫度不同而不同。

圖2　測試斷面布置圖Fig.2 Layout diagram of the testing section

圖3　截面1及截面2測點布置圖Fig.3 Layout of the measuring points in section 1 and section 2

圖4　截面3測點布置圖Fig.4 Layout of the measuring points in section 3

常數m的數值見表1。

表1　m的取值

2.2熱傳導方程

由于水化熱的作用，混凝土澆筑完成后持續散發熱量，水化熱可視為混凝土的內部熱源，而瞬態溫度場的計算實質是熱傳導方程在特定邊界條件和初始條件下的求解。建立混凝土的溫度與時間、空間的關系：

(2)

2.3邊界條件

根據熱傳導理論，三維非穩定溫度場T(x，y，z，t)應滿足下列偏微分方程及相應的初始條件和邊界條件。其中初始條件為在初始時刻混凝土內部的溫度分布狀態，邊界條件為混凝土表面與周圍介質之間熱對流作用的規律。

初始條件：T|t=0=T0(x,y,z)。

(3)

結構物的邊界條件有4種：

(1)在時刻t1，結構表面溫度分布已知：

T(x,y,z,t1)=f(x,y,z,t1)。

(4)

(2)結構周圍環境對結構表面的傳熱交換條件已知：

(5)

(3)兩種固體接觸良好且接觸面上的溫度相同，沿接觸面有：

T(x,y,z,t1)=T(x,y,z,t)。

(6)

(7)

若兩固體之間接觸不良時，邊界條件如下：

(8)

式中：Rc為接觸不良而產生的熱阻，用試驗可以確定。

(4)結構物四周是絕熱的，沿周邊：

(9)

3有限元分析模型

3.1模型建立

考慮計算速度及計算機容量限制，根據箱梁0#塊的對稱性，建立1/4結構模型，實體模型如圖5所示。本次計算分析采用Solid70單元，Solid70是ANSYS中定義的三維溫度單元，每個單元有8個節點，每個節點只有一個自由度即溫度。按瞬態，有內熱源計算溫度場，主要的熱傳遞方式為熱傳導和熱對流，熱輻射影響較小，忽略不計。對于瞬態傳熱問題，需定義導熱系數、密度和比熱。最后在創建的幾何模型上劃分網格，如圖6所示，計算控制斷面如圖2所示。

圖5　實體模型Fig.5 The solid model

圖6　有限元模型Fig.6 Finite element model

3.2邊界條件

富錦-綏濱松花江特大橋0#塊一次澆注成型，混凝土材料的熱性能參數有：導熱系數λ=8.4 kJ/(m·℃)，比熱C=0.96kJ/(kg·℃)，密度ρ=2 600 kg/m3；水泥采用普通硅酸鹽水泥，混凝土水泥用量為420 kg/m3，水泥水化熱為346 kJ/kg；經過試算，m取為1.5，按照前面得到的公式可求出混凝土水化熱發熱率隨時間變化的函數，即為：

q=9 083e-0.062 5 τ(kJ/h·m3)。

(10)

取澆筑混凝土的初始溫度為25.5℃(實測平均值)，不考慮外界大氣溫度變化，取為平均溫度23.1℃(箱梁外表面)、24.5℃(箱梁內表面)、23.7℃(兩隔板之間)。為了進一步簡化分析，假定澆注和養護混凝土時箱梁表面的對流換熱系數為定值，混凝土表面在空氣中的放熱系數與風力及混凝土表面狀況有密切關系。最后得到各邊界放熱系數取值如下。

箱梁外表面：頂板頂面取風速v=2 m/s，放熱系數49.40 kJ/(h·m2·℃)；

翼緣板下表面取風速v=1 m/s，放熱系數35.75 kJ/(h·m2·℃)；

其他外表面取風速v=0.5 m/s，放熱系數28.68 kJ/(h·m2·℃)；

箱梁內表面、兩隔板之間及底板外表面：取風速v=0 m/s，放熱系數18.46 kJ/(h·m2·℃)。

3.3有限元計算結果

圖7為0#塊澆注完成后1 d到4 d水化熱溫度場分布圖。由圖中可知：橫隔板與底板及頂板相交部位混凝土體量較大，是水化熱溫度控制的重點部位。尤其底板，混凝土厚度達到1.5m，且與周圍空氣換熱情況較差，這部分水化熱升溫最高，最高溫度可以達到74℃。底板混凝土在澆筑完成2 d左右水化熱升溫即達到最大值，4 d后底板內最高溫度應達到66.7℃。

圖7　澆注完成1～4 d 0#塊水化熱溫度分布Fig.7 Temperature distribution of hydration heat of zeroblock after being poured for 1 to 4 days

圖8為0#塊截面1測點1～測點5溫度與時間變化曲線。由圖中可以看出測點1最高溫度相對較小，達到最高溫度時間較短，這是因為測點1靠近頂板上表面，其溫度受環境溫度影響較大。測點4最高溫度相對最大，達到最高溫度時間也最長。截面1的溫度分布規律與實測值基本相同。

圖8　截面1測點1～測點5溫度與時間變化曲線Fig.8 Temperature and time variation curve of measuring point1 to point 5 in section 1

圖9為0#塊截面3各測點溫度與時間變化曲線。由圖中可以看出頂板靠近上緣測點(測點1、測點2、測點11)最高溫度相對較小，達到最高溫度時間也較短，說明測點溫度受環境溫度影響較大。腹板中心測點(測點3、測點4、測點5、測點7、測點9、測點10)及底板中心測點(測點15)最高溫度相對較大，達到最高溫度時間也最長。另外，也可得腹板內外溫度分布規律，外表面溫度最低(測點6)，內表面溫度稍高(測點8)，中心溫度最高(測點7)。箱梁底板及頂板內溫度分布規律與腹板內溫度分布規律基本相同。

(a)測點1～測點5

(b)測點6～測點8

(c)測點9～測點10

(d)測點11～測點13

(e)測點14～測點16

4施工現場監測

4.1測試點布置

使用溫度自動記錄儀采集溫度，PT1000溫度探頭作為測溫元件。富綏大橋0#塊水化熱溫度場測試斷面選在36#墩頂下游箱體，斷面位置及測點位置如圖8和圖9所示。

4.2測試方法

使用自動采集系統測溫，時間間隔為0.5 h。綁扎鋼筋時安裝測溫探頭，在澆筑混凝土前一天開始采集溫度，澆注混凝土過程中也不間斷，整個測溫過程持續至箱梁溫度場最終穩定后，繼續進行箱梁日照溫度場溫度數據采集。

4.3測試結果

圖10為截面1各測點溫度隨時間變化曲線(測點6為箱內兩隔板間測點位，測點4為壞點)。由圖中可以看出箱內兩隔板間溫度在140 h內變化不大，基本在20℃左右。測點1在混凝土澆注后溫度為21.5℃，經過24 h后達到最大值56.9℃。測點5混凝土澆注后經過33 h后達到最大值71.2℃。測點2澆注混凝土后經過29 h后達到最大值63.6℃。測點3澆注混凝土后經過29 h后達到最大值61.3℃。測點2、測點3均位于隔板中部，但測點3靠近過人洞，其水化熱最高溫度略低于測點2。另外，在140 h之內，各測點的降溫速率基本相同。

圖10　截面1各測點溫度隨時間變化曲線Fig.10 Variation of temperature with time foreach measuring point in section 1

圖11為截面2各測點溫度隨時間變化曲線(測點6為箱內兩隔板間測點位，測點1、2為壞點)。測點6為箱內測點，代表箱內溫度，平均在25℃左右，在260 h之內隨時間波動變化不大。測點5混凝土澆注后經過36 h后達到最大值67.9℃。測點2澆注混凝土后經過23 h后達到最大值55.7℃。測點2、測點5在混凝土澆注10 d后，其溫度基本接近箱內溫度，表明水化熱的影響基本結束。另外，圖中可以看出，測點5的降溫速率大于測點2的降溫速率。

圖11　截面2各測點溫度隨時間變化曲線Fig.11 Variation of temperature with time for eachmeasuring point in section 2

圖12為截面3測點1到測點6溫度隨時間變化曲線。測點1位于翼緣板內，該點混凝土澆注后經過18 h后達到最大值33.5℃。測點2位于頂板頂面，該點澆注混凝土后經過18 h后達到最大值40.5℃。測點3澆注混凝土后經過20 h后達到最大值51.4℃。測點4澆注混凝土后經過30 h后達到最大值71.2℃。測點5澆注混凝土后經過25 h后達到最大值64℃。測點6位于腹板外邊緣，其澆注混凝土后經過24 h后達到最大值55.5℃。

圖12　截面3各測點(1～6)溫度隨時間變化曲線Fig.12 Variation of temperature with time for each measuringpoint(1 to 6)in section 3

圖13為截面3測點8到測點12溫度隨時間變化曲線。測點8位于腹板內邊緣，和測點6在同一高度，其澆注混凝土后經過22 h后達到最大值65℃。測點9、10位于腹板中心，測點9澆注混凝土后經過22.5 h后達到最大值61.2℃。測點10澆注混凝土后經過25 h后達到最大值69.9℃。測點11、12位于頂板內，兩者溫度變化曲線基本相同，測點11澆注混凝土后經過14 h后達到最大值32℃。測點12澆注混凝土后經過15 h后達到最大值36℃。

圖13　截面3各測點(8～12)溫度隨時間變化曲線Fig.13 Variation of temperature with time for each measuringpoint(8 to 12)in section 3

圖14為截面3測點13到測點18溫度隨時間變化曲線，測點18溫度為頂板頂面大氣溫度。測點13為頂板下緣測點，其水化熱溫升曲線不明顯，溫度變化曲線和箱內溫度變化曲線接近。測點14、15、16位于底板內，其溫度達到最高值的時間基本相同。測點14澆注混凝土后經過26 h后達到最大值58.9℃。測點15澆注混凝土后經過27 h后達到最大值70.4℃，測點16澆注混凝土后經過27 h后達到最大值52.3℃。測點17位于腹板中心，測點17澆注混凝土后經過27 h后達到最大值66℃。

圖14　截面3各測點(13～18)溫度隨時間變化曲線Fig.14 Variation of temperature with time for each measuringpoint(13 to 18)in section 3

圖15為箱梁內(外)溫度隨時間變化曲線。箱頂受太陽直射，溫度變化差距大，最低溫度為15℃，最高溫度為37℃。箱內溫度則相對平緩，最低溫度為17℃，最高溫度為27℃。兩隔板間溫度與箱內溫度差別不大。

圖15　箱內(外)溫度隨時間變化曲線Fig.15 Variation of temperature inside(outside)the box with time

圖16為箱梁腹板水化熱溫度隨時間變化曲線，測點6、7、8均位于3號斷面中部，測點6位于外側，測點8位于內側，測點7位于中間。腹板中間與腹板內側溫度相差不大，最大值約為4℃；腹板中間與腹板外側溫度相差較大，最大值約為10℃。隨著時間推移，水化熱逐漸散盡，腹板各點溫差逐漸減小。

圖16　腹板水化熱溫度隨時間變化曲線Fig.16 Variation of temperature of web hydration heat with time

圖17為箱梁頂板水化熱溫度隨時間變化曲線，測點11、12、13均位于頂板內，測點11位于上緣，測點13位于下緣，測點12位于中間。頂板中間與頂板下緣溫度相差不大，最大值約為1.7℃；頂板中間與頂板上緣溫度相差較大，最大值約為5℃。隨著時間推移，水化熱逐漸散盡，頂板各點溫差受日照影響較大。

圖17　頂板水化熱溫度隨時間變化曲線Fig.17 Temperature time-varying curve in roof heat of hydration

圖18為箱梁底板水化熱溫度隨時間變化曲線，測點14、15、16均位于底板內，測點14位于上緣，測點16位于下緣，測點15位于中間。底板中間溫度最高，達到70.4℃，其與底板上緣溫度相差最大值約為11.7℃；與底板下緣溫度相差最大值約為18.7℃(第46 h)。隨著時間推移，水化熱逐漸散盡，底板各點溫差逐漸減小，到第8 d時，底板內溫度基本相同。

圖18　底板水化熱溫度隨時間變化曲線Fig.18 Variation of temperature of bottom slabheat of hydration with time

4.4監測結果分析

圖19～圖22為0#塊部分測點溫度變化曲線理論計算值與現場實測值對比。截面1測點1位于翼緣板內，此處混凝土體量較小，其溫度受環境溫度影響較大，有限元計算對其邊界情況較難準確模擬，因此理論值與實測值相差較大。測點2、3、5位于橫隔板內，外界溫度的變化對其水化熱溫度的影響相對較小，理論計算值與現場實測值符合的較好。

圖19　截面1測點1溫度理論值與實測值對比曲線Fig.19 Temperature comparison curve of theoretical valueand measured value of measuring point 1 in section 1

圖20　截面1測點2溫度理論值與實測值對比曲線Fig.20 Temperature comparison curve of theoretical valueand measured value of measuring point 2 in section 1

圖21　截面1測點3溫度理論值與實測值對比曲線Fig.21 Temperature comparison curve of theoretical valueand measured value of measuring point 3 in section 1

圖22　截面1測點5溫度理論值與實測值對比曲線Fig.22 Temperature comparison curve of theoretical valueand measured value of measuring point 5 in section 1

5結論

計算表明，瞬態溫度場有限元溫度效應分析結果可以較好地模擬大跨度連續梁橋0#塊澆筑施工的水化熱溫度場分布變化過程。對于本文研究的富綏大橋0#塊施工溫度場分析，可得出以下結論：

(1) 大橋0#塊各測點在混凝土澆注完成后1～1.5 d溫度達到最大值。和一般大體積混凝土在澆注完成后3～4 d溫度達到最大值的規律有所不同不同，這點應在混凝土澆筑施工過程中引起注意，并采取相應措施。

(2) 大橋0#塊底板里表最大溫差為18.7℃，腹板里表最大溫差為10℃，頂板里表最大溫差為5℃，均滿足《大體積混凝土施工規范》的溫度控制指標。

(3) 大橋0#塊底板水化熱最高溫度70.4℃，里表最大溫差為18.7℃，是水化熱溫度裂縫重點控制部位，應加強底板鋼筋配置或對底板底模采取一定的保溫措施以降低里表溫差。

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Analysis of Hydration Heat Monitoring and Calculation on Zero-blockSegment of a Long Span Continuous Beam Bridge during Construction

Yang Limei

(Highway Survey and Design Institute of Heilongjiang Province，Harbin 150080)

Abstract：Based on the Fujin-Suibin Songhuajiang Bridge Project，the method of combining finite element analysis and construction monitoring was used to study the temperature field of zero-block during high strength concrete pouring stage of box girder.The comparison of FEM analysis and measurement reflected that the FEM model established in this paper fitted well with the measured data，and results showed that the temperature difference between inside and outside the zero-block girder was less than 25℃ which met the specification requirements.While，the highest temperature of the bottom flange of the box girder was 70.4℃，and reached the maximum within 1-1.5 days after finishing the pouring construction，which should be specified as the primarily control area for hydration heat temperature crack.Hence，enhanced reinforcement or heat preservation measures on bottom flanges should be taken to reduce the temperature difference.

Keywords：mass concrete；zero-block girder；temperature control；hydration heat；temperature effect

中圖分類號：S 773.4；U 441.5

文獻標識碼：A

文章編號：1001-005X(2016)03-0066-07

作者簡介：第一黑龍江省公路勘察設計院，高級工程師。研究方向：橋梁、隧道。E-mail：532244794@qq.com

收稿日期：2015-11-10

引文格式：楊麗梅.大跨度連續箱梁橋零號塊施工水化熱監測與計算分析[J].森林工程，2016，32(3)：66-72.