京雄城際鐵路梁體養護溫度智能監測方案研究

馬 珍

（中鐵十九局集團第一工程有限公司，遼寧遼陽 111000）

京雄城際鐵路是疏解北京非首都功能的重要通道，同時也是京津冀協同發展的歷史性工程。京雄城際鐵路固安特大橋轉體連續梁工程為重要的控制性工程之一，因工期緊、任務重，連續梁A0#段需進入冬季施工。通過采用有限元模型分析，結合施工實時溫度監測方法，保證了施工過程的安全性，施工質量符合精品工程要求。

1 工程概況

京雄城際鐵路固安特大橋位于河北省廊坊市固安縣境內，該地區屬于暖溫帶亞濕潤大陸性季風氣候，四季變化明顯。冬季寒冷干燥、少雨雪、多偏北風，年平均氣溫為11.9℃，最冷月份為1 月，月平均氣溫為-6.7℃，該地區1 月環境溫度變化情況如圖1 所示。

京雄城際鐵路固安特大橋在DK54+894.5 ～DK55 +168.5 處采用72 m + 128 m + 72 m 連續梁跨越廊涿高速公路，公路既有路面寬27 m，規劃路面寬50 m，公路與京雄城際鐵路交叉角度為45°19′，立交要求為50 m×5.5 m（凈寬×凈高），交叉處高速公路里程為K44 +254。

橋梁采用變截面單箱單室連續箱梁結構，在廊涿高速公路兩側旁位支架現澆，橋梁轉體長度為135.85 m，轉角39.5°。在27#、28#主墩墩頂與梁底之間設置轉體結構體系，在26#、29#邊墩側設置牽引滑道系統。A0#段長38 m、寬12.6 m、高9.6 m，如圖2 所示。

圖1 固安地區1 月環境溫度變化情況

2 連續梁加熱養護有限元模型

2.1 模型設置

采用ANSYS 大型有限元軟件進行瞬態熱力學分析，初始模型構建如圖3 所示。模型包括外層的玻璃纖維棉被模型、內部鋼筋混凝土箱梁模型、內部空氣模型、蒸汽噴口模型。各構件均采用三維熱分析SOLID 70 六截面8 節點單元。有限元模型采用50 mm 厚玻璃纖維被包裹空間進行分析，外壁持續施加-10℃溫度，其他構件初始溫度設定為5℃。對于蒸汽噴口，根據上述熱力學計算結果，以熱流密度形式加到蒸汽噴口單元，為分析模型持續輸出熱量。分析總時長為24 h，計算步長為0.5 h。

圖2 連續梁A0#段示意圖

圖3 有限元模型及網格劃分

2.2 連續梁溫度變化分析

選取模擬連續梁蒸汽養護1 h、6 h 和 24 h 的溫度云圖可以看出：①加熱1 h，溫度在保溫棚內部形成較為均勻的分布，但整體內部溫度較低，尚未滿足要求；② 經過繼續加熱，養護棚內溫度逐漸升高，至6 h，棚內整體溫度可達8℃以上；③加熱24 h，溫度可達20℃以上。混凝土梁在考慮水化熱影響的情況下，強度隨著內部溫度升高逐漸提升。在此情況下，根據混凝土通常養護條件，14 天齡期內強度可以達到設計強度的75%以上，具體溫度變化如圖4 所示。

2.3 典型點溫度變化分析

根據上述連續梁蒸汽加熱養護后整體溫度變化情況，選取連續梁內部及外部3 個模型典型點進行具體分析，典型點位置如圖5 所示。混凝土梁暖棚內部最高溫度為8℃，外部溫度在6 h 以后可以達到10℃以上，滿足養護需求。具體施工時，如果發現箱梁內部溫度確實遠低于外部，可以考慮采用增加1 條蒸汽管道擱置于箱梁內部，以減小內外溫度差，降低溫度應力的不利影響。

連續梁沿縱向的3 條模擬路徑如圖6 所示，通過分析3 條路徑上點的溫度分布情況，從而確定溫度分布是否均勻。可見連續梁上翼緣溫度較高，沿縱向分布差異不大，連續梁內部路徑2 和路徑3 溫度相對較低，溫度差異不顯著。因此，蒸汽噴射點布置位置并未引起箱梁上混凝土沿縱向的溫度差異。

圖4 連續梁A0#段加熱溫度云圖（單位：℃）

3 暖棚搭設及蒸汽管道布置

本研究采用三維有限元軟件進行建模計算，采用三維Beam188 實體單元，建立腳手架桿件體系模型。嚴格執行《建筑施工腳手架安全技術統一標準》（GB 51210-2016）要求。腳手架搭設三維有限元模型如圖7 所示。

圖5 箱梁模型典型點與溫度變化

圖6 箱梁模型縱向路徑與溫度變化

沿支架內側及保溫棚架頂部綁扎玻璃絲棉保溫被，形成1 個長40.5 m、寬18.6 m、高19.8 m 的封閉保溫棚，根據上述尺寸，分析過程中考慮保溫棚的長度為42 m，寬度為18.7 m，最高點高度為21 m。暖棚內主管道布置4 排，橫向間距為3.35 m + 3 m + 6 m + 3 m + 3.35 m。養護段箱梁長度為42 m，縱向間距4.2 m 設置支管及蒸汽排放口，即每根主管布置10 個排氣口，總計為40 個。暖棚搭設及蒸汽管道布置如圖8、圖9 所示。

圖7 腳手架搭設三維有限元模型

圖8 養護棚搭布置圖 （單位：m）

圖9 蒸汽管道平面布置圖 （單位：mm）

4 智能溫度監測方案

為響應智能京雄建造理念，本工程采用溫度傳感器并配套無線數據傳輸發射設備，運用自動化監測手段對溫度變化進行實時監測。無線數據傳輸模塊是由無線數據傳輸終端和無線數據傳輸主機組成，依靠成熟的通用分組無線服務（GPRS）/全球移動通信系統（GSM）網絡，在網絡覆蓋區域內可以快速組建數據通信，實現實時遠程數據傳輸。智能溫度監測系統具備如下特點：①系統結構緊湊，安裝方便，可快速安裝部署；②采集的數據實時無線傳輸至云端，保證了數據的及時和準確性；③數字信號傳輸避免了電纜帶來的測量噪聲，測量精度高、抗干擾能力強；④簡捷易用的項目級數據云平臺能夠提供數據存儲、計算分析、在線預警等數據服務。

在京雄城際鐵路固安特大橋連續梁A0#段內，根據熱工計算及溫度分析，在溫度變化較大的位置布置溫度傳感器，如圖10 所示。溫度監測布置點如下：每個T型結構2 個監測截面，每個截面4 個測點，分別布置于連續梁頂部、內箱底部及翼緣板左右各1 個點位，共計測點總數16 個。

圖10 溫度傳感器布置圖

在混凝土澆筑前后及養護階段，對溫度變化實時監測，每10 min 采樣1 次，系統自動進行閥值判斷，一旦超出設定的正常范圍，自動發送報警短信。針對溫度變化情況，適時調整防寒保溫措施。

智能溫度監測系統可分析蒸汽養護的5 個階段，即靜停階段、升溫階段、恒溫階段、降溫階段與自然養護階段，可繪制出環境溫度及養護溫度變化時程曲線，如圖11 所示，實現了關鍵監測部位實時不間斷監測。

圖11 溫度變化的時程曲線圖

5 結語

在京雄城際鐵路跨廊涿高速72 m + 128 m + 72 m 轉體支架連續梁A0#段冬期施工中，通過有限元模型分析對保溫方案進行設計，應用智能溫度監控系統對混凝土施工養護全過程進行實時監控，從而解決了混凝土冬期施工強度提升慢及水化熱損失快的問題，為混凝土早期強度的增長提供了保障，提升了連續梁A0#段冬期施工質量，推動了智能建造及信息化等方面的結合應用，并為同類工程提供參考。