某空心高墩混凝土水化熱溫度場分析

（重慶工商職業學院， 重慶 401520）

某空心高墩混凝土水化熱溫度場分析

唐春平 周躍孝

（重慶工商職業學院， 重慶 401520）

為掌握混凝土空心高墩水化熱溫度分布規律，根據熱傳導有限單元法原理，運用有限元軟件ANSYS建立三維分析模型，得到溫度場分布特點以及溫度應力發展規律：沿壁板厚度方向溫度分布不均勻，壁厚的增加，內外溫差以及應力也有所增大。

混凝土高墩；試驗；有限元；水化熱；溫度場

0 引言

隨著我國高等級公路和高鐵的快速發展，橋梁的高度和跨度在不斷被刷新［1］。為滿足大型橋梁對強度及穩定性的要求，大量采用混凝土空心高墩結構，空心高墩屬于高、柔性結構，豎向荷載大，混凝土水化速度快，放熱量多，由此產生的水化溫度應力是造成混凝土橋梁結構開裂的主要原因之一，這種溫度應力和變形直接影響到混凝土結構的安全性、耐久性和適用性［2-3］。許多工程由于未能充分重視溫度作用而產生了許多嚴重裂縫，有的橋梁甚至被迫停運修復，造成嚴重的經濟損失。雖然國內外對橋梁大體積混凝土水化熱溫度場研究取得許多成果，但是對空心高墩混凝土水化熱溫度場的研究還比較少［4］。

1 有限元分析

本文基于某空心高墩工程實際情況，采用大型有限元軟件 ANSYS，以瞬態熱傳導方程和水化放熱模型為基礎，建立三維高墩有限元模型。該橋主橋為空心薄壁連續三跨剛構橋，主橋橋墩為空心薄壁墩，墩高69m，墩底尺寸25m×11m，墩頂尺寸為9.2m×11m，空心尺寸為6.8×8m。墩采用C40自拌混凝土，混凝土配合比見表1。

表 1 C40 混凝土施工配合比

圖1 空心墩的有限元模型

圖 2 短邊中點水化熱時程曲線

采用SOLID70熱單元進行瞬態熱分析，采用APDL參數化建模，建立空間有限元模型進行計算分析，ANSYS有限元模型如圖1所示。

對有限元模型進行加載計算，便可得出的水化熱時程曲線及水化熱期間瞬時溫度場，由于空心墩截面對稱，可以選取長、短邊截面中心的 2 個節點的水化熱時程曲線作為典型代表，其計算結果見圖2和圖3。圖4 為表面測點實測溫度與計算溫度的對比。

圖 3 長邊中點水化熱時程曲線

圖4 表面測點實測與計算溫度的變化曲線

由圖可知水化熱溫度在入模后的20小時內急劇上升，后續溫度逐漸降低。水化熱溫度場分布規律和應力場分布規律相類似，先升后降［5］。溫度梯度沿厚度方向變化較為明顯，墩截面內部混凝土溫度比內外表面的測點溫度高，且內外表面測點溫度相近，模擬水化放熱計算結果與實測結果比較吻合。

3 .結論

通過模擬水化放熱和對流邊界條件來仿真實際溫度場，建立三維空心墩有限元模型對高強混凝土水化熱模擬分析，并與實測溫度對比分析，結果吻合良好。溫度梯度沿厚度方向變化較為明顯，墩截面內部混凝土溫度比內外表面的測點溫度高，且內外表面測點溫度相近。水化熱溫度場分布規律和應力場分布規律相類似，先升后降。試驗結果可以作為橋墩混凝土澆筑前的參考數據，為溫控措施的采取力度與位置提供參考。得出了測點溫度隨時間的變化規律，可以為類似的工程施工提供參考。

[1] 馮德飛，盧文良．混凝土箱梁水化熱溫度試驗研究［J］．鐵道工程學報，2006( 8) : 62-67．

[2] 程俊瑞，季文玉． 預應力混凝土箱梁水化熱溫度及應變的試驗研究［J］． 公路交通科技，2003，20( 6) : 76-79．

[3] 陳天地. 鐵路空心橋墩溫度場試驗研究. 重慶：重慶大學碩士學位論文.2007

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

[5]張亮亮,陳天地. 影響混凝土結構水化熱溫度多因素分析.高速鐵路技術. 2010( 3) : 5-8

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