特大橋?qū)嶓w橋墩水化熱溫度控制有限元分析

姜 朔

(廣州鐵路(集團(tuán))公司動(dòng)車基地工程建設(shè)指揮部，廣東廣州 511400)

廣州動(dòng)車段走行線特大橋，全長5 575m，共177個(gè)橋墩，全部為圓端形實(shí)心墩。全線橋墩最大高度27 m，混凝土方量最大達(dá)1 100m3。夏季施工時(shí)大體積混凝土墩身因?yàn)樵缙谒療嵋鸹炷羶?nèi)外溫差過大容易產(chǎn)生較大溫度應(yīng)力，又由于早期混凝土強(qiáng)度較低，這樣的溫度應(yīng)力可能會(huì)引起墩身混凝土開裂，故需要對水泥水化熱形成的溫度場及墩身應(yīng)力場進(jìn)行研究，以便在施工中采取有針對性的措施，防止溫度裂縫出現(xiàn)，從而提高工程的可靠性和耐久性。本文選取具有代表性的75#墩進(jìn)行有限元分析。

1 有限元模型參數(shù)

75#墩身高度為18.00m，長度4.75m，寬度2.00m。1 m3混凝土的配合比為:水泥 570.0 kg，砂2 133.0 kg，碎石3 328.5 kg，水489.5 kg。在實(shí)驗(yàn)室條件下測得的累計(jì)水化熱為461 kJ/kg。

主要計(jì)算參數(shù)取值為:普通硅酸鹽水泥水化熱取為461 kJ/kg;混凝土的密度為2 550 kg/m3;混凝土導(dǎo)熱系數(shù)為 240.32 kJ/(m·d·℃);混凝土比熱 0.96 kJ/(kg·℃);水化系數(shù) 0.33;混凝土的入倉溫度31.8℃;混凝土的膨脹系數(shù)1.0×10-5/℃。

根據(jù)施工方案，75#墩在8月份施工，取外界空氣溫度為28℃ ～38℃?；炷练秩螡仓看螡仓? m，每次澆筑周期為10 d，每0.5 d為一時(shí)間步，共60個(gè)時(shí)間步。由于混凝土彈性模量隨時(shí)間變化，混凝土28 d的彈性模量取為3.0×104MPa。

在進(jìn)行水化熱溫度場分析時(shí)，不考慮預(yù)應(yīng)力筋孔道的影響［1-2］，首先，選取熱單元Solid70進(jìn)行瞬態(tài)熱分析［3］，該單元是一個(gè)具有導(dǎo)熱能力的三維單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)溫度自由度;再將熱分析得到的節(jié)點(diǎn)溫度作為體荷載施加在結(jié)構(gòu)單元上進(jìn)行應(yīng)力分析;然后將熱單元Solid70轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元Solid45，進(jìn)行應(yīng)力分析。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 第一次澆筑后墩身溫度場和應(yīng)力場

2.1.1 溫度場

混凝土澆筑后，初始階段墩身中心區(qū)域大部分溫度較高，且溫度分布均勻，隨著表面散熱和中心區(qū)域水化熱反應(yīng)的進(jìn)行，中心區(qū)域溫度變得不均勻［4］，且中心區(qū)域溫度升高，4.5 d后達(dá)到最大值，10 d后溫度趨向穩(wěn)定，＜25℃。

在施工過程為了對墩身的溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行監(jiān)測，采用埋入式傳感器進(jìn)行溫度和應(yīng)力的監(jiān)測，考慮實(shí)際情況，只對第一次澆筑進(jìn)行監(jiān)測。計(jì)算溫度與實(shí)測溫度隨時(shí)間的變化如圖1所示。

從圖1(a)可見，計(jì)算值與實(shí)測值吻合得較好，說明計(jì)算正確。墩身中心溫度在混凝土澆筑后4.0 d，4.5 d左右達(dá)到最大值55.329℃，相應(yīng)表面的溫度為29.605℃，之后墩身中心溫度逐漸下降，趨向穩(wěn)定［5］。在計(jì)算和實(shí)測中發(fā)現(xiàn)，墩身中心溫度出現(xiàn)最大值后下降得不是很快，這是由于該橋墩是實(shí)心橋墩，內(nèi)部水化熱反應(yīng)進(jìn)行的時(shí)間較長，這和一般的空心橋墩有區(qū)別。墩身外表面溫度整體在下降，一是由于表面混凝土水化熱反應(yīng)的進(jìn)行，二是由于在第6 d后模板拆除，同時(shí)受到外界氣溫的影響，外表面溫度出現(xiàn)波動(dòng)［6］。由圖1(b)可見，墩身內(nèi)外溫差在混凝土澆筑后4 d達(dá)到最大值，到9 d時(shí)內(nèi)外溫差≤25℃。

圖1 計(jì)算值與實(shí)測值對比

2.1.2 考慮墩身重力梁體的應(yīng)力場分析

考慮墩身重力對梁體的應(yīng)力場進(jìn)行分析［7］，計(jì)算與測試的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力對比如圖2所示。

圖2 計(jì)算與測試的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力對比

1)第一段澆筑后，水化熱作用進(jìn)行得還不充分，墩身中間大部分區(qū)域處于受壓狀態(tài)，隨著表面與中心溫差的加大，表面出現(xiàn)拉應(yīng)力，中心為壓應(yīng)力。這是由于內(nèi)外溫差的不斷增大，導(dǎo)致兩者的變形不一致，表面對中心有阻礙作用，因此在表面產(chǎn)生不斷增大的拉應(yīng)力，中心區(qū)域?yàn)閴簯?yīng)力，在澆筑后第6 d出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，大小為2.65mPa，隨后隨著水化熱作用的不斷減小，內(nèi)外溫差的減小，表面拉應(yīng)力和中心壓應(yīng)力減小。在這一過程中拉應(yīng)力大于2.20mPa(C30混凝土的極限抗拉強(qiáng)度)，將出現(xiàn)裂縫，這與實(shí)際觀測中在橋墩底部出現(xiàn)的裂縫相吻合。

2)由水化熱溫度變化曲線和應(yīng)力變化曲線可以看出，溫度變化曲線上升較陡，而下降卻很緩慢。這是因?yàn)樵谠缙诨炷翜囟燃眲∩唠A段，混凝土的彈性模量小，松弛系數(shù)也小，升高相同溫度引起的壓應(yīng)力小，到了后期混凝土降溫階段，混凝土的彈性模量大，松弛系數(shù)也大，降低相同溫度引起的拉應(yīng)力要大。這樣就會(huì)在混凝土內(nèi)留下殘余的拉應(yīng)力。

2.2 第二次澆筑后墩身溫度場和應(yīng)力場

2.2.1 橋墩溫度場

根據(jù)主墩施工方案可知，第2節(jié)段的混凝土是在第1節(jié)段澆筑完10.0 d后開始澆筑。在0.5 d由于受前一節(jié)段和外界的影響，表面溫度分布不均勻，表面散熱后，表面的溫度逐漸趨向一致，在4.5 d后中心溫度達(dá)到最大值，由于為實(shí)心橋墩，中心散熱較慢，雖然在4.5 d后中心溫度逐漸減小，但是減小的幅度較小。

2.2.2 橋墩應(yīng)力場［8-9］

在澆筑0.5 d后，由于溫度的影響，表面的拉應(yīng)力并不均勻，隨著外表面的散熱，外面的拉應(yīng)力逐漸趨向均勻，在6.5 d后拉應(yīng)力達(dá)到最大值2.11 MPa，隨后減小，內(nèi)外應(yīng)力趨向均勻，壓應(yīng)力范圍擴(kuò)大。在此過程中拉應(yīng)力的最大值＜2.20mPa，所以沒有開裂，這與實(shí)際觀測情況相符。

2.3 第三次澆筑后墩身溫度場和應(yīng)力場

第3節(jié)段的混凝土是在第2節(jié)段澆筑完10.0 d后開始澆筑。橋墩溫度場和應(yīng)力場的變化趨勢與第2階段類似，所不同的是橋墩外表面的拉應(yīng)力在4.5 d后達(dá)到最大值2.01 MPa，隨后減小，拉應(yīng)力的最大值＜2.20mPa，沒有開裂。

3 水化熱參數(shù)敏感性分析

3.1 混凝土澆筑溫度的影響

混凝土的澆筑溫度與水化熱反應(yīng)有密切關(guān)系［10］，降低澆筑溫度將有助于改善橋墩水化熱反應(yīng)，本文選擇澆筑溫度在17.0℃，20.0℃，25.0℃和31.8℃，分析水化熱反應(yīng)，在不同澆筑溫度下中心溫度變化曲線和內(nèi)外溫差變化曲線如圖3所示。

圖3 不同澆筑溫度的影響

由圖3可知:澆筑溫度對橋墩中心溫度的影響很明顯，隨著澆筑溫度的升高，橋墩中心溫度升高，在不同澆筑溫度下，橋墩中心溫度出現(xiàn)最大值的時(shí)間不同，17.0℃的時(shí)候在7 d，20.0℃的時(shí)候在6.5 d，25.0℃的時(shí)候在6 d，31.8℃的時(shí)候在5.5 d。當(dāng)澆筑溫度在17℃時(shí)，內(nèi)外溫差都在15℃以下，能夠滿足溫度控制的要求。

3.2 混凝土骨料巖性的影響

混凝土的導(dǎo)熱性能與水化熱反應(yīng)也有較大的關(guān)系，從配料上看，石子所占的比例越大，對混凝土的導(dǎo)熱性能影響越明顯，其中石子有玄武巖、白云巖、石灰?guī)r、石英巖、流紋巖和花崗巖。選取這幾種材料分別計(jì)算不同的石子材料對橋墩水化熱的影響，見圖4。

圖4 不同混凝土骨料巖性的影響

由圖4可知:使用不同的巖石做混凝土骨料會(huì)使橋墩中心溫度不同，其中使用玄武巖、流紋巖時(shí)橋墩中心的溫度最高，使用石英巖橋墩中心的溫度最低;使用不同的巖石，橋墩中心出現(xiàn)最高溫度的時(shí)間不同，越早出現(xiàn)溫度最大值，橋墩的中心溫度越低;使用不同的巖石，橋墩內(nèi)外溫差不同，其中使用玄武巖，內(nèi)外溫差最大，使用石英巖，內(nèi)外溫差最小，所以在滿足強(qiáng)度要求的條件下，盡量選用使橋墩水化熱反應(yīng)溫度較低的巖石。

3.3 不同模板的影響

不同模板導(dǎo)致橋墩邊界條件不同，亦會(huì)使空氣對流系數(shù)不同，本文分別選取木模板和鋼模板進(jìn)行計(jì)算分析，見圖5。

從圖5可以看出，不同的模板對橋墩中心溫度有影響，但是影響不大;不同的模板對橋墩內(nèi)外溫差影響較大，其中使用木模板時(shí)，內(nèi)外溫差相對較小，這是由于鋼模板的空氣對流系數(shù)大，橋墩表面散熱較快，導(dǎo)致內(nèi)外溫差較大。

圖5 不同模板的影響

4 結(jié)論

本文應(yīng)用ANSYS有限元軟件，建立橋墩水化熱分析模型，得出了溫度場和應(yīng)力場的變化規(guī)律，并對不同澆筑溫度、不同混凝土骨料巖性和不同模板的影響等進(jìn)行參數(shù)敏感性分析。研究結(jié)果表明:隨著澆筑溫度的降低，橋墩水化熱反應(yīng)最高溫度降低;在滿足強(qiáng)度要求的前提下，選用石英巖做混凝土骨料能使橋墩水化熱溫度最低;選用木模板對減小橋墩內(nèi)外溫差有益。

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