高橋墩溫度場試驗及有限元仿真分析

張中樂，孫建誠

(1.河北瑞志交通技術咨詢有限公司 石家莊市 050091；2.河北省道路結構與材料工程技術研究中心 石家莊 050091；3.河北工業大學 天津市 300401)

高橋墩與普通的中低橋梁墩臺相比較，尺寸大、混凝土使用多、閉合截面多，因此，在結構施工過程中，混凝土水化熱作用容易使橋墩壁內外產生較大的溫差，產生較大的拉應力，從而導致混凝土產生溫度裂縫。近年來，高速公路和鐵路跨越式大范圍的建設發展，在極端天氣條件下，由于行車速度的提高，橋梁振動特性與以往的不同，溫度的變化差異過大，加劇了裂縫的產生和發展，因此，控制高橋墩混凝土早期裂縫的產生，對于保證橋梁的運營安全及延長橋梁的使用壽命，有著重要的現實意義。所以，在工程界高橋墩前期澆注的水化熱溫度變化問題受到廣泛重視[1]。

通過對某大橋高橋墩混凝土施工過程中的溫度場監控，分析溫度變化規律，采用ANSYS有限元仿真，分析橋墩外表面和中心的溫度應力變化規律，從而為控制大橋橋墩澆注施工出現過大的水化熱內外溫差，減少高強混凝土產生溫度裂縫提供理論指導，以確保施工過程中高橋墩結構的安全和穩定[2-4]。

1 現場監控

1.1 工程介紹

某大橋橫跨一個沖溝，下部結構采用柱式墩、空心薄壁墩、柱式臺、扶壁臺和樁基礎。

大橋左線上部結構采用10×40m裝配式預應力混凝土連續T梁，中心樁號為ZK58+558，全長408m，采用6根132m長Φ1.2m樁基，3根45m長Φ1.5m樁基，20根344m長Φ1.8m樁基和8根166m長Φ2.0m樁基。

大橋右線上部結構采用9×40m裝配式預應力混凝土連續T梁，中心樁號為YK58+535，全長368m，采用6根111m長Φ1.5m樁基，20根332m長Φ1.8m樁基，6根136m長Φ2.0m樁基。

1.2 溫度測點布設

為了能夠真實反映橋墩混凝土內外溫差、降溫速度及環境因素影響，同時考慮監測時間與導線、數據采集設備的連接故障問題，在溫度場監測截面的選擇上，將測試截面位置選擇在距離承臺30m處。

為了能夠全面地掌握高橋墩內部溫度場的分布情況，對橋墩溫度測試進行了布點位置的確定，如圖1所示為傳感器布置平面圖。

圖1 傳感器布置圖

橋墩共選擇22個溫度測試點：橋墩截面對稱設置20個溫度測試點，一側測點編號為①～⑩，一個大氣溫度測點和一個橋墩中心測點。見圖1所示，每個測點一個傳感器。

利用測量點的測量結果，可以用插值或者擬合的方法推測位置點的數據，而測點的布置應該使擬合誤差最小。測定橋墩各位置溫度的目的是確定橋墩的溫度應力或溫度作用產生的變形。而溫度傳感器的測量誤差也會使計算橋墩的溫度應力和變形產生誤差，而合理布置就是為了使計算誤差降到最小。在溫度測點布設過程以及后續測量中，溫度傳感器可能失效，而混凝土澆注后，溫度傳感器不能更換，當傳感器失效后，布設的測量系統不影響數據的采集。

將溫度傳感器附著在鋼筋附近，在傳感器四周用扎絲為傳感器構筑若干安全防線；傳感器的引線沿著鋼筋下緣走，每隔一定距離將引線固定在鋼筋上。傳感器的引線要具有防護電纜線，并且電纜線從同一側引出，在引出處用軟管保護。

圖2 傳感器埋設位置和固定圖

實驗儀器：一臺HNTT—D混凝土溫度測試儀、天線2根、溫度傳感器和筆記本電腦一臺等設備。

本次測量主要內容為高橋墩混凝土水化熱及溫度場分布狀況，混凝土澆注后24h不間斷測量，20min采集一次數據。連續觀測內部及外部大氣溫度一周，每小時記錄一次。同時將風速風力進行同步測試記錄，以作為數據分析參考依據。

2 試驗分析及仿真分析

2.1 試驗結果分析

由于結構的對稱性，以其中①～⑩測點的采集數據進行分析。如圖3所示，列出了橋墩截面10個溫度測試點的溫度-時間曲線。從溫度變化曲線可以得出：

圖3 溫度變化曲線

(1)在20h內，每個測點處于高速升溫過程，主要是因為水泥水化放熱反應的結果。

(2)20h后，水泥水化放熱變得非常緩慢，由于大體積混凝土散熱較慢，直到90h左右，各個測點才降到彼此的常溫值(25℃左右)。

(3)90h之后，水泥水化基本結束，不再大量產生水化熱。

(4)從溫度測試點的溫度-時間歷程曲線可知，所有測試點的溫度變化趨勢基本一致。測點升溫過程較快，主要原因在于混凝土內部溫度較高、散熱慢，導致溫度上升迅速。

2.2 有限元仿真分析[5-6]

利用ANSYS有限元軟件建立實體模型，進行橋墩水化熱溫度場的數值分析。先選擇耦合單元，然后再進行熱分析和應力分析。選取橋墩中心截面進行對比研究，得到其溫度應力分布云圖和應力變化曲線，如圖4和圖5所示。

圖4 中心截面溫度應力分布云圖

圖5 中心與外表面溫度應力變化曲線

從圖4和圖5中可知，橋墩中心部位與表面溫差影響較為明顯，但各個部位的溫度都是同步升高和同步降低的。水泥采用普通硅酸鹽水泥，澆注溫度為30.4℃。48h后，混凝土拆模，由于橋墩的混凝土厚度較薄，所以橋墩壁的中心部位溫度變化不太明顯。

在10h的澆注初期內，橋墩外表面和中心都表現為壓應力，是由于在澆注初期，橋墩內外的溫度上升趨勢一致，同步升溫，各個截面都表現為升溫膨脹，橋墩受到外部約束在各個截面上都產生壓應力。隨著橋墩表面和中心溫差的增大，中心膨脹大而表面膨脹較小，兩者變形不一致，表面約束中心的膨脹，而中心促進表面的膨脹，從而中心產生壓應力，表面產生拉應力。

溫度應力曲線在上升階段較陡，在下降階段較緩，是因為混凝土在水化早期的彈性模量較小，而在水化后期彈性模量較大，溫度下降1℃產生的拉應力比溫度上升1℃產生的壓應力相差較大。因此，拉應力在溫降階段抵消了溫升階段的壓應力，仍留有相當大的拉應力，這是導致混凝土早期開裂的主要原因。混凝土水化熱反應越大，引起的溫度應力越大，則對混凝土結構產生的破壞作用越強。

在橋墩施工階段，通過選擇合理的混凝土原材料，優化配合比設計，采用合理的構造措施以及合理的施工方法，以減小水泥混凝土的水化熱反應、線膨脹系數和熱量比，提高混凝土的抗拉強度和極限拉伸變形能力，由此減少混凝土表面收縮裂縫，以確保施工和后期使用過程中橋墩結構的安全和穩定。

3 結論

(1)通過現場監控發現，混凝土水化作用下溫度的變化規律：在澆注初期，內外溫度都因水化熱而升高，3d內均是升溫過程，之后開始緩慢降溫，但由于水化熱的作用，橋墩中心部位的作用強于熱傳導降溫作用。

(2)澆注完混凝土后，在初期，橋墩表面和中心溫度大致同步增高，混凝土中心溫度增高最快。模板拆除后，各外表面與大氣直接接觸，溫度開始降低，中心與外界熱量交換緩慢。

(3)通過ANSYS有限元仿真分析，得出混凝土水化熱的溫度應力云圖和溫度應力變化曲線。在澆注初期，橋墩外表面和中心的應力都表現為壓應力，隨著橋墩表面和中心溫差的增大，混凝土中心產生壓應力，而在表面產生拉應力。

(4)選擇合理的混凝土原材料，優化配合比設計，采取合理的構造措施和施工方法，以減少混凝土表面裂縫，確保橋墩結構的安全和穩定。