預應力連續剛構橋0號塊水化熱分析研究

侯 清，黃紹燈，許 晗，向其凱，童 鑫

(浙江交工集團股份有限公司,浙江 杭州 310051)

0 引言

在預應力連續剛構橋的構造中,0號塊是連接箱梁和柱墩的重要節段,其在施工過程中主要承受懸臂結構的負彎矩,成橋后同樣承擔由于超靜定結構在支承處產生的負彎矩,因各階段承擔的荷載較大,對結構自身的尺寸也提出更大的要求,加之每一根預應力腹板束、頂板束均需從該節段穿過,還需在墩頂預留人孔,導致0號塊的內部、外部結構均十分復雜。對于跨徑較大的預應力剛構橋,因其0號塊在各個階段承擔的荷載較大,結構尺寸也較大,主梁的材料又采用C50以上標號的混凝土,導致0號塊澆筑的過程中容易產生較大的水化熱,結合0號塊復雜結構的特點,容易在尺寸較大的底板、腹板處產生水化熱非結構性裂縫,另外材料的收縮徐變在該節段上的影響也十分明顯[1]。因此需要在施工過程中,通過計算分析掌握0號塊澆筑過程中的溫度場及溫度應力發展規律,以制定更加合理、科學的水化熱處治措施,優化施工工藝,從而確保結構澆筑完成后的質量。

1 工程概況

依托于廣西天峨至巴馬高速公路的拉仁2號高架大橋,橋梁全長為279 m,采用三跨預應力混凝土變截面連續剛構箱梁橋,拉仁2號高架大橋立面分別如圖1所示。

該橋上部采用75 m+120 m+75 m預應力混凝土連續剛構,每幅主梁采用直腹板的單箱單室箱梁。主梁根部斷面圖如圖2所示。主梁0號塊墩梁連接處底板厚1.7 m,墩間及懸臂部分底板厚0.9 m～1.2 m,底板寬9 m,長14 m,隸屬于大體積混凝土施工范疇。為確保混凝土施工質量,考慮對0號塊采取設置冷卻水管通循環水冷卻溫控措施[2]。

2 模型建立與相關參數選取

2.1 模型相關參數選取

Midas FEA是當前橋梁結構開展實體分析的大型有限元軟件,能夠進行各種非線性計算分析,通常使用在橋梁的細部分析、水化熱計算、裂縫分析、數值風洞中[3]。在本文中,利用該軟件建立拉仁2號橋0號塊模型,用以分析在澆筑過程中0號塊的溫度場及其溫度應力的分布及變化規律。根據計算分析的需求,需要進行材料熱力學參數的整理。

拉仁2號大橋主梁采用C55混凝土,采用集中拌制,材料容重為25 kN/m3,材料彈性模量為3.55×104MPa,泊松比為0.2,主梁澆筑擬在夏季進行,平均入模溫度20 ℃,整理材料熱力學參數如表1所示。

表1 拉仁2號橋0號塊材料熱力學參數

2.2 有限元模型建立

2.2.1 有限元模型建立步驟

根據拉仁2號0號塊結構尺寸,建立三維實體有限元模型。根據Midas FEA軟件的計算分析流程,整理具體建模流程如下:主要建模計算分析分為前處理和后處理兩個部分,前處理階段,主要進行材料參數的定義和結構實體模型的建立,材料的參數包括材料本構關系、彈性模量、密度、泊松比、時間依存性特性、熱力學參數等。結構實體模型的建立包括幾何尺寸的建立、網格劃分、定義邊界條件。模型建立完成后,需定義混凝土水化熱熱源函數、環境溫度以及對流系數函數。最后根據實際的施工過程,定義施工階段。后處理階段,定義分析控制,運行分析計算,得到水化熱分析計算的結果[4-6]。

將以上建模步驟繪制成流程圖如圖3所示。

2.2.2 模型的建立

拉仁2號高架大橋0號塊屬于中心對稱結構,在進行分析計算時,為了減少計算單元數量,減少計算壓力,可盡可能的簡化模型。在本文中,僅建立拉仁2號橋的1/4,通過設置合理的邊界條件達到對全部結構的計算結果。同時,通過對內部結構的剖切,能夠更加直觀的觀察0號塊的內部結構[7]。模型建立的過程中,還需考慮結構實際的約束條件,處于懸臂結構時,0號塊與主墩為固結體系,對應約束0號塊的豎向位移,對于縱向和橫向剖切面,分別約束對應方向上的平動自由度,即宏觀坐標系下的X軸、Y軸方向的自由度。

在進行實體結構網格劃分時,由于不同尺寸差異和局部倒角構造,需要對局部網格進行加密,采用自由網格劃分的方式劃分結構網格,劃分后,結構單元共計2 100個,并通過設置對稱邊界條件與對流邊界條件區分結構剖面和對流面域。0號塊結構1/4模型(網格劃分)如圖4所示。

3 0號塊水化熱分析

3.1 0號塊溫度場計算

根據實際擬定的施工步驟,混凝土初始溫度場為20 ℃,根據現場實測,環境溫度按照4個時段進行模擬,分別為AM6:00—12:00,環境溫度從25 ℃上升至35 ℃,12:00—18:00,環境溫度從35 ℃下降至21 ℃,18:00—24:00,環境溫度從21 ℃下降至17 ℃,24:00—次日6:00,環境溫度從17 ℃上升至25 ℃。將模擬的對流交換條件、熱源函數市價在模型上,進行瞬態熱傳導分析。根據大體積水化熱常規的控制要求,對0號塊澆筑7 d內的溫度場進行計算模擬,分別觀察從開始澆筑后10 h,30 h,130 h,170 h時刻0號塊溫度場的分布具體計算結果如圖5所示。

從圖5的溫度場分布云圖可以看出,拉仁2號大橋的0號塊在30 h時達到了最高溫度77 ℃,最高溫度發生在橫隔板處,除翼緣板外的核心區域間表里溫差為30.58 ℃,根據GB 50496—2009大體積混凝土施工規范中溫控指標的規定,表里溫差不宜大于25 ℃,因此需采取一定的溫控措施進行溫度控制。

3.2 0號塊水化熱溫度應力

為確保在澆筑過程中0號塊不因溫度場升降溫而產生溫度裂縫,需要對0號塊進行溫度應力的計算分析,主要對升降溫過程中的主拉應力進行計算,計算時,需考慮混凝土強度隨時間的發展,即混凝土材料的時間依存性。溫度裂縫產生的原因是內外部溫差的存在導致結構體各個部位因溫度產生變形的不協調,從而形成溫度應力,當溫度應力超過材料的容許主拉應力,則結構將產生溫度裂縫,提取腹板處溫度應力隨時間的變化情況見圖6。

從計算結果可知,腹板內側中心點因溫度應力產生的最大主拉應力為2.3 MPa,此時C55混凝土的容許主拉應力為2.78 MPa,大于由于溫度場產生的主拉應力,因此在整個澆筑過程中,0號塊不會因為溫度應力產生溫度裂縫[8-10]。

4 結論

本研究依托于廣西天峨至巴馬高速公路的拉仁2號0號塊的施工,采用Midas FEA有限元分析軟件,分析0號塊在澆筑過程中溫度場的變化規律及其溫度應力,計算結果表明,在0號塊澆筑的過程中,在不采取溫控措施的情況下結構的表里溫度差為30.58 ℃,不滿足規范中對溫度控制的要求,因此需采取一定的溫控措施,在對溫度應力的分析中,以腹板內側中心點計算最大主拉應力為例,結合材料的時間發展曲線表明,在整個澆筑的過程中該0號塊不會產生溫度裂縫。結合實際澆筑溫度監測結果表明,結構計算分析很好的模擬了結構實際澆筑過程中的溫度場,為0號塊施工質量的控制提供了有效的措施。