川藏鐵路低溫灌注鋼管混凝土拱肋水化試驗研究

周大為，鄧年春，2，石 拓

(1.廣西大學土木建筑工程學院，南寧 530004； 2.廣西防災減災與工程安全重點實驗室，南寧 530004)

引言

為了有效降低傳統結構工程的耗材量，提高工程經濟效益，鋼管混凝土結構應運而生[1]。鋼管混凝土作為鋼-混凝土組合材料，既能做到內填混凝土提高鋼管受壓穩定性及耐久性，又能使得混凝土受到鋼管套箍作用，提高混凝土的抗壓強度及延展性[2]。自20世紀90年代，四川旺蒼縣首次采用無支架纜索吊裝施工建成我國第一座鋼管混凝土拱橋旺蒼東河大橋，鋼管混凝土拱橋便因其優異的結構性能在我國得到迅速發展[3]，隨著建設需要，其跨徑不斷得到突破[4]。隨著跨徑增大，鋼管混凝土拱橋弦管管徑亦不斷突破紀錄，目前在建的世界最大跨拱橋平南三橋計算跨徑達到560 m，其單根弦管管徑達到1.4 m，在建的世界最大跨鐵路鋼管混凝土拱橋—川藏鐵路拉林線雅魯藏布江大橋主跨跨徑達430 m，單根弦管管徑達到1.6 m。鋼管混凝土水化熱具有大體積混凝土水化放熱特性，鋼管混凝土因其特殊的構造，混凝土灌注完畢后無法直接觀察核心混凝土灌注質量，使得混凝土硬化過程中的水化問題日益引起重視。

文獻[5-7]，以鋼管混凝土構件為研究對象，對其內部灌注、硬化及成形全過程溫度進行連續監測。研究結果表明：水化過程中截面呈現內高外低的溫度分布情況，且截面內部溫度隨時間表現為先急劇升高至溫度極值再迅速降溫的時程變化過程，且構件管徑對水化放熱時程曲線影響較大，管徑與溫度峰值、峰值區寬度呈正相關。文獻[8-10]以膨脹劑摻加量為變參數，對微膨脹混凝土構件水化熱溫度場與核心混凝土膨脹特性進行試驗研究。研究結果表明：微膨脹混凝土與素混凝土水化熱溫度場變化規律相近。文獻[11-12]在一座實橋上埋設了測溫元件進行基于實橋的水化熱試驗，針對復合膠凝材料鋼管混凝土拱肋水化過程，對混凝土水化熱作用下的鋼管拱肋截面溫度場進行了連續試驗觀測。試驗結果表明：由于減水劑和膨脹劑的添加，混凝土在較長時間的誘導期結束以后，水化熱急劇釋放，溫度快速上升，然后各點溫度緩慢下降。袁曉輝等[13]以硫鋁酸鈣氧化鈣類膨脹劑作為摻合料，制作2組鋼管堿礦渣混凝土試件，膨脹劑摻量為0和6%，開展鋼管密封條件下堿礦渣混凝土溫度場試驗研究。研究結果表明：密封條件下，堿礦渣混凝土溫度場分布呈現由內向外降低的趨勢，膨脹劑的摻入使峰值溫度出現的時間提前，且提高了堿礦渣混凝土核心區溫度；不摻膨脹劑的鋼管堿礦渣混凝土在界面區域因溫度梯度影響容易形成脫黏空隙。文獻[14-15]對鋼管混凝土水化放熱進行了連續監測，通過對混凝土內部溫度變化進行研究分析，對鋼管混凝土拱橋的計算合龍溫度的計算提出了較好的想法。

鋼管混凝土拱截面溫度場在理論分析中認為沿縱橋向不存在熱傳導，在保證計算精度的基礎上將空間三維溫度問題簡化為二維平面問題。溫度場數值計算方法主要有：有限差分法、有限單元法及邊界單元法3種。目前，通用有限元分析軟件使用較為普遍，其具有高計算精度和較高的數據處理能力。拱肋水化熱有限元數值計算的關鍵在于水泥水化熱計算模型，水泥水化熱的計算模型主要有：指數式、雙曲線式和復合指數式[16]。文獻[6-7,17]對3種水化放熱模型進行了對比分析，其中文獻[6-7]認為雙曲線水化放熱模型能夠較好地反映圓截面鋼管混凝土水化放熱規律，文獻[17]則認為復合指數式對鋼管混凝土水化放熱描述較好。

目前針對鋼管混凝土水化熱的研究多集中于截面溫度分布情況、參數變化對水化放熱的影響及有限元計算過程中水化計算模型的選取。隨著國家對基礎設施建設的大力投資、公路及鐵路網全國各地的全面展開，拱橋因其特有的對高原、山區、丘陵等地形地貌的結構優勢，使得大跨及超大跨鋼管混凝土拱橋在西部地區擁有很大的發展前景。高原山區難以避免在低溫環境下進行管內混凝土灌注施工。

以川藏鐵路拉林線雅魯藏布江大橋為依托，采用試驗分析結合理論計算的方法，對低溫條件下管內混凝土溫度變化進行長期連續監測。以此為基礎對低溫條件下管內溫度變化規律、水化溫度預測公式進行研究，并對不同灌注條件下的管內溫差情況進行系統分析，探討鋼管混凝土的水化放熱規律。

1 實驗研究

1.1 實驗簡介

以進藏鐵路拉林線雅魯藏布江大橋為工程依托，分別對管徑φ1.6 m及φ1.4 m的鋼管混凝土構件從混凝土灌注至成型的全過程溫度變化進行長期連續監測，見圖1，其中管內混凝土采用C55無收縮高強混凝土。為研究青藏高原地區的低溫環境條件對管內混凝土水化放熱狀況的影響，將空鋼管事先置于大型溫度試驗箱內，混凝土灌注前對溫度箱溫度調至0 ℃進行遇冷，以模擬灌注時刻較低的環境溫度，灌注過程見圖2，其中混凝土入倉溫度約為30 ℃。采用無線溫度監測系統對管內混凝土及溫度箱內環境溫度情況進行連續監測，測點布置見圖3。

圖1 構件立面(單位：mm)

圖4 不同測點溫度隨時間變化曲線

圖2 灌注現場

圖3 測點布置

1.2 監測結果分析

實驗數據整理分析發現，管內混凝土灌注完畢后約5 d，φ1.4 m管徑中各測點溫度穩定趨于環境溫度；灌注完畢后約6 d，φ1.6 m管徑中各測點溫度穩定趨于環境溫度。且由于管內混凝土灌注至成型全過程均于溫度箱內進行，未考慮日照的影響，實測數據顯示2根管內對稱測點溫度變化過程基本一致。故分別取2根管內1～4號測點對管內混凝土低溫灌注條件下的溫度變化規律進行研究，不同管徑管內混凝土溫度變化情況見圖4。

由圖4可以看到，2根管內各測點溫度變化過程基本相同，呈現大體積混凝土溫度變化規律。其中φ1.4 m管中核心溫度約在混凝土灌注完畢后14 h左右達到溫度峰值，此時整個截面同時達到溫差極值；φ1.6 m管中核心溫度約在灌注完畢后17 h達到溫度峰值，此時整個截面同時達到溫差極值。其中φ1.6 m管中，混凝土核心達到溫度峰值后由于管徑較大且混凝土導熱系數較低，沒有迅速降溫，經約4 h穩定期后溫度迅速下降。

圖4還可以看到，由于管內混凝土入倉溫度大于此時環境溫度，水化初始階段，φ1.4 m管徑中1號和2號測點溫度迅速下降，直至達到該點處水化放熱速率大于散熱速率后溫度開始迅速上升；φ1.6 m管徑中2號測點受外部低溫環境影響較小，未出現明顯降溫段。φ1.4 m管徑溫度峰值約為63 ℃，截面溫差極值約為30 ℃；φ1.6 m管徑溫度峰值約為73 ℃，截面溫差極值約為37.5 ℃。實驗結果表明，在其他條件相同的情況下，管內溫度極值及溫差極值均與管徑呈正相關，降溫速率呈負相關。

1.3 有限元適用性驗證

鋼管混凝土拱肋截面水化溫度場計算過程中，理論分析過程中認為沿縱橋向不存在熱傳遞，即可將原三維溫度場問題簡化為二維平面溫度問題進行研究。拱肋水化熱有限元數值計算的關鍵在于水泥水化熱計算模型，水泥水化熱的計算模型主要有：指數式、雙曲線式和復合指數式[16]，本文采用復合指數式水化計算模型進行計算。采用大型通用有限元分析軟件ANSYS，選用平面熱分析單元PLANE77號單元，建模過程中假設鋼管與混凝土緊密貼合，即熱傳導連續。以1.6 m管徑的鋼管混凝土構件為研究對象，以此驗證有限元計算的適用性，其劃分網格后的計算模型，見圖5。

圖5 計算模型

計算過程中邊界條件嚴格按照實際試驗過程中的邊界進行施加，混凝土入倉溫度為30 ℃，因灌注時刻鋼管已置于恒溫的溫度箱內，故鋼管初始溫度取0 ℃，整個水化過程中環境溫度恒定為0 ℃。圖6為所選取測點溫度的時程變化曲線。

圖6 φ1.6 m管徑有限元計算各測點溫度變化曲線

對比圖4、圖6可以看出，復合指數式水化放熱模型可以較好地反映鋼管混凝土水化放熱狀況。其中有限元計算過程中核心溫度峰值時刻約為灌注完畢后的18 h左右，與試驗實測值較為吻合，且各測點溫度峰值分別為72.347 8，68.328 7，57.401 7℃及37.225 1 ℃，較各測點實測溫度峰值73，70.1，58.2 ℃及35.7 ℃較為吻合。對比可知，在升溫階段，溫度計算時程變化與實測值在溫度峰值、峰值時刻以及升溫速率等方面擬合較好；降溫階段計算時程曲線降溫速率較實測值稍低。綜上可認為，采用復合指數式水化計算模型的有限元數值模擬，可以較好地反映鋼管混凝土內部水化溫度變化規律。

2 鋼管混凝土水化放熱規律研究

2.1 邊緣與核心測點溫度變化關系

圖7 邊緣測點溫度變化擬合曲線

從上述研究發現，管內各測點溫度時程變化曲線基本類似，設不同管徑邊緣1號測點溫度峰值與核心4號測點溫度峰值比值即ΔT(r)邊緣max/ΔT(r)核心max=α(r)，在混凝土品類、入倉溫度及環境溫度相同條件下，該比值僅和管徑r相關。圖7為φ2.0 m、φ1.8 m、φ1.6 m、φ1.4 m、φ1.2 m管徑的鋼管混凝土構件混凝土入倉溫度為30 ℃，環境溫度為0 ℃灌注條件下，α(r)×T核心(t核心-Δt)與T邊緣(t邊緣)的時程曲線對比。其中Δt為2.0，1.8，1.6，1.4 m管徑，邊緣1號測點溫度峰值時刻較核心4號測點溫度峰值時刻分別提早4，3，2，1 h。1.2 m管徑的2個測點溫度峰值時刻基本一致。考慮二者溫度峰值時差，圖中可以看出擬合曲線較有限元計算曲線吻合較好。由于灌注初始時刻二者溫度應相同，系數α(r)使得擬合曲線的初始值較小，使得升溫階段初始時刻有些許差異。由圖7可知，外部溫度不變的情況下，邊緣測點的溫度與核心測點的溫度滿足公式

T邊緣(t)=α(r)×T核心(t+Δt)

(1)

2.2 核心溫度時程預測公式

朱伯芳[16]采用指數式、雙曲線式及復合指數式計算模型預測混凝土水化放熱速率。LEE、KOO[18-19]對水化溫升預測公式進行改進，提出適用于絕熱及恒溫條件下的水化溫度預測公式。針對鋼管混凝土內部溫度變化預測公式目前研究較少。為研究鋼管混凝土結構內部水化升溫規律，以對其升溫及溫差變化情況進行預測，采用經實測數值驗證的有限元數值模擬方法對不同管徑鋼管混凝土構件水化放熱全過程進行計算。通過對核心溫度變化全過程進行分析，認為可將其按溫度峰值時刻進行拆分，即分升溫段曲線與降溫段曲線。對試驗對象1.6 m及1.4 m管徑的鋼管混凝土構件核心溫度時變曲線進行拆分，兩段曲線分別采用指數式計算公式對其進行擬合，見式(2)、圖8。

(2)

式中,A、B、C為與管徑、混凝土品類、入倉及環境溫度有關的參數，可由試驗測得個別時間點溫度值反算。φ1.6 m及φ1.4 m管徑對應參數見表1,其中升溫段參數C與核心溫度極值基本相等，可取核心溫度峰值。

圖8 兩種管徑鋼管混凝土構件核心溫度有限元及公式計算擬合曲線

表1 計算參數

對φ1.6 m、φ1.4 m管徑的核心溫度變化曲線進行預測，其中升溫段公式計算值與有限元計算值擬合較好，能夠較為精確地反映核心處的溫度時程變化狀況；降溫段初始時刻公式計算曲線下降速度較快，其中φ1.6 m、φ1.4 m管徑公式計算值與有限元計算值最大差值為3.4 ，3.7 ℃，該誤差值較其發生時刻核心混凝土水化溫度數值較小，可以認為二者較為接近，指數式預測公式能夠較好地反映低溫環境下核心溫度時變情況。

由2.1節可知，由核心處溫度變化時程曲線可推得邊緣測點的溫度時程曲線，故該公式同樣適用于邊緣測點。截面最大溫差可由上述核心及邊緣的預測公式推得，即ΔT截面(t)=ΔT核心(t)-ΔT邊緣(t)。

3 參數敏感性研究

大管徑鋼管混凝土核心混凝土水化放熱屬于大體積混凝土水化熱范疇，較普通大體積混凝土結構而言，鋼管混凝土拱肋可簡化為二維平面溫度問題進行研究,故而對于某一特定品類混凝土，影響其水化放熱的參數主要有：管徑、入倉溫度、環境溫度等。本文通過驗證了的有限元數值模擬方法，對不同管徑、不同入倉溫度以及不同環境溫度的鋼管混凝土截面極值溫差變化規律進行研究，得到其隨不同參數變化的規律，在此基礎上對鋼管混凝土結構混凝土灌注提供一定的參考。

3.1 入倉、環境溫度的影響

本文分別對φ1.4 m、φ1.6 m、φ1.8 m以及φ2.0 m管徑的鋼管混凝土結構在同尺寸條件下的入倉及環境溫度敏感性進行研究，極值溫差變化情況如圖9所示。

從圖9可以看出，其他條件相同的情況下，截面極值溫差隨混凝土入倉溫度線性變化，且呈正相關，即相同條件下，隨著入倉溫度的升高，鋼管混凝土水化熱引起的截面溫差呈線性增加。截面極值溫差隨混凝土灌注時刻環境溫度線性變化，且呈負相關，即相同條件下，隨著環境溫度的升高，鋼管混凝土水化熱引起的截面溫差呈線性降低。

表2整理了φ1.4 m、φ1.6 m、φ1.8 m以及φ2.0 m管徑分別在變入倉和變環境條件下的截面極值溫差數值。可以看出，隨著管徑的增大，改變入倉溫度或改變環境溫度對截面極值溫差的影響也在增大，即參數變化相同的條件下，管徑越大，受影響越大，且呈線性增加。

圖9 極值溫差變化情況

表2 極值溫差數值

3.2 管徑變化條件下極值溫差變化規律

圖10為φ0.4 m、φ0.6 m、φ0.8 m、φ1.2 m、φ1.4 m、φ1.6 m、φ1.8 m、φ2.0 m管徑的鋼管混凝土結構，以0 ℃環境溫度，30 ℃入倉溫度為邊界條件下的截面極值溫差隨管徑變化的曲線。采用二次多項式對其進行擬合，見式(3)，圖10擬合效果較好。結果表明，相同環境溫度與入倉溫度條件下，截面極值溫差隨管徑呈二次多項式變化

ΔTmax(r)=D×r2+E×r+F

(3)

式中，ΔTmax(r)為隨管徑變化的截面溫差極值，℃；r為管徑，m；D、E為與入倉溫度與環境溫度相關的常數；F經分析在入倉溫度為30 ℃時，可取-3 ℃。

圖10 極值溫差變化情況

4 結論

通過對φ1.6 m、φ1.4 m管徑的鋼管混凝土構件進行溫度箱內的低溫環境下的水化放熱試驗研究，并結合有限元數值分析，得到以下結論。

(1)低溫條件下灌注混凝土，管內混凝土呈現出先降溫再升溫的時程狀態，外側降溫尤為明顯。混凝土內部各測點溫度與管徑大小呈正相關，1.6 m管徑核心處混凝土在溫度峰值時刻經約3 h的平穩段后迅速降溫，較φ1.4 m達到溫度峰值后迅速降溫差異較大。φ1.6 m管徑內部溫度變化約8 d趨于平穩，φ1.4 m管徑內部溫度變化約6 d趨于平穩。

(2)復合指數式水化放熱模型能夠較好地適用于低溫條件下的鋼管混凝土水化放熱計算。

(4)其他條件相同的情況下，管內溫差極值與混凝土入倉溫度呈正相關，與環境溫度呈負相關，且隨著管徑的增大，管內溫差極值受入倉溫度與環境溫度的影響愈加顯著。

(5)混凝土品類、入倉溫度及環境溫度相同的條件下，管內混凝土水化溫差極值隨管徑變化呈二次拋物線式的變化規律。