江漢六橋C50預(yù)應(yīng)力自錨跨箱梁溫度場(chǎng)計(jì)算及溫控措施

趙日煦，宋正林，楊文，龐二波

（中建商品混凝土有限公司，湖北 武漢 430074）

江漢六橋C50預(yù)應(yīng)力自錨跨箱梁溫度場(chǎng)計(jì)算及溫控措施

趙日煦，宋正林，楊文，龐二波

（中建商品混凝土有限公司，湖北 武漢 430074）

結(jié)合武漢市第一座自錨跨斜拉橋工程現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土自錨跨箱梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用 ANSYS 對(duì)自錨跨箱梁混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)采取埋設(shè)循環(huán)冷卻水管、覆蓋保溫材料等溫控措施，降低了結(jié)構(gòu)出現(xiàn)溫度裂縫的風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)構(gòu)實(shí)際澆筑效果良好，沒有出現(xiàn)明顯裂縫，提高了結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性。

溫度應(yīng)力場(chǎng)；溫度應(yīng)力；溫控措施；箱梁

預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁是橋梁的主要受力構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)尺寸隨著橋梁工程的發(fā)展而逐漸變大，屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，在混凝土溫度的作用下，容易產(chǎn)生溫度裂縫，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷破壞，直接威脅到整個(gè)橋梁的使用功能和服役壽命[1-3]。

武漢市江漢六橋是武漢市第六座跨漢江通道，位于江漢五橋（長(zhǎng)豐橋）和江漢二橋之間，工程起于古田二路與解放大道交叉口以北，終點(diǎn)接郭琴路，主線橋梁全長(zhǎng) 3050.1 米，主橋采用 48＋57＋110＋252＋110＋57＋48＝682 米的 7 跨自錨式懸索橋，跨江主梁采用鋼箱梁和預(yù)制混凝土橋面板結(jié)構(gòu)，在主橋箱梁鋼混結(jié)合段兩側(cè)設(shè)有現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土自錨跨箱梁結(jié)構(gòu)，南北錨跨箱梁各段全長(zhǎng)均為 48＋57＋16.5＝121.5 米，橋面寬 44 米，最大厚度達(dá) 6.6 米，鋼筋最小凈距為 4.2cm，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)均為 C50，單次澆筑方量3500 方以上。根據(jù)該工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工安排，要求混凝土7d 抗壓強(qiáng)度和彈性模量不低于設(shè)計(jì)值的 90%，因此，為了防止混凝土溫度裂縫的產(chǎn)生，保證結(jié)構(gòu)整體性、耐久性，必須對(duì)大體積混凝土進(jìn)行溫度控制，降低溫度應(yīng)力對(duì)混凝土產(chǎn)生的損害。

1 混凝土配合比

根據(jù) JTG/T F50—2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定，結(jié)合既往橋梁工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)[2-4]，采用正交設(shè)計(jì)法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，并經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，確定混凝土配合比見表1，混凝土性能見表2。

表1 自錨跨箱梁 C50 混凝土配合比

表2 自錨跨箱梁 C50 混凝土配合比物理力學(xué)性能

2 溫度應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值分析

為了評(píng)價(jià)自錨跨 C50 大體積混凝土的溫度和應(yīng)力隨著養(yǎng)護(hù)齡期的發(fā)展規(guī)律，采用 ANSYS 對(duì)其進(jìn)行溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值分析。

混凝土箱梁水化熱溫度場(chǎng)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)三維非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)問題，采用三維有限元實(shí)體模型進(jìn)行模擬計(jì)算，符合實(shí)際[5-6]?；炷料淞哼吔绱嬖诳諝夂突炷恋臒釋?duì)流，屬于熱分析中的第三類邊界條件?；炷料淞翰捎娩撃０?，由于其導(dǎo)熱性能良好，可忽略其對(duì)混凝土箱梁表面與大氣之間熱交換的影響。對(duì)流邊界條件可作為面荷載施加于箱梁外表面和內(nèi)表面，具體加載形式為氣溫日變化余弦公式（結(jié)合實(shí)測(cè)環(huán)境溫度），并考慮混凝土表面放熱系數(shù)。分析模型和單元?jiǎng)澐秩鐖D1 所示，其中，y 軸方向?yàn)樨Q向，x 軸為順橋向，z 軸為橫橋向。

圖1 自錨跨分析模型和三維網(wǎng)絡(luò)劃分

2.1 溫度場(chǎng)數(shù)值分析

經(jīng)過(guò)采用 ANSYS 數(shù)值模擬計(jì)算，自錨跨 C50 大體積混凝土 3d 齡期的溫度云圖分布如圖2、圖3 所示，受篇幅所限，故只列出整體溫度云圖和靠近中心位置 5-5 剖面的溫度云圖，自錨跨中心點(diǎn)與上、下表面溫度等關(guān)鍵點(diǎn)溫度時(shí)程發(fā)展曲線如圖4 所示。

圖2 3d 齡期整體溫度分布云圖

圖3 3d 齡期 5-5 剖切面溫度分布云圖

圖4 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)溫度發(fā)展規(guī)律（橫坐標(biāo)為時(shí)間/h，縱坐標(biāo)為溫度/℃）

圖2 和圖3 的溫度場(chǎng)分布圖中表明，自錨跨箱梁結(jié)構(gòu)中心及剖切面中帶挖空部位的溫度最高。由于散熱邊界的存在，自錨跨箱梁內(nèi)部各位置處的溫度達(dá)到最高值的時(shí)間存在一定差異，其中心點(diǎn)溫度最高值出現(xiàn)在齡期為 3～5d 之間，邊沿溫度最高值出現(xiàn)時(shí)間較中心點(diǎn)略早，約出現(xiàn)在 2d。自錨跨上表面溫度低于下表面溫度，這是因?yàn)樯媳砻嫔岜认卤砻嫔崴俾士臁?/p>

圖4 的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)溫度發(fā)展規(guī)律表明，自錨跨箱梁結(jié)構(gòu)上表面溫度在澆筑 1d 后，其溫度與中心點(diǎn)溫度之差已經(jīng)超過(guò)25℃，下表面在澆筑 2d 后，其溫度與中心點(diǎn)溫度之差已超過(guò)25℃，超出《大體積混凝土施工規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)的要求。必須采取措施降低中心溫度或在保濕養(yǎng)護(hù)時(shí)候，采取麻袋覆蓋灑水保濕等措施，保濕、控溫應(yīng)同步控制。

2.2 應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值分析

采用 ANSYS 對(duì)自錨跨 C50 大體積混凝土進(jìn)行溫度應(yīng)力計(jì)算，計(jì)算參數(shù)見表3，根據(jù) GB 50496—2009，混凝土彈性模量的時(shí)程變化公式采用式 (1) 進(jìn)行計(jì)算[7]。

表3 自錨跨 C50 大體積混凝土應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算邊界參數(shù)

式中：Et——齡期為t時(shí)混凝土的彈性模量，Gpa；

t——為齡期，d。

經(jīng)過(guò)采用 ANSYS 數(shù)值模擬計(jì)算，自錨跨 C50 大體積混凝土 3d 齡期的第一主應(yīng)力分布云圖分布如圖5、圖6 所示，受篇幅所限，故只列出整體第一主應(yīng)力分布云圖和靠近中心位置 5-5 剖面的第一主應(yīng)力分布云圖。結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)第一主應(yīng)力時(shí)程發(fā)展曲線如圖7 所示，由于采用智能網(wǎng)格劃分，無(wú)法提取模型的正中心節(jié)點(diǎn)，因此，曲線圖上的最大壓應(yīng)力與云圖上的最大壓應(yīng)力有出入，三條曲線從上到下依次為上表面、靠近中心點(diǎn)與上表面之間、下表面。

圖5 和圖6 的溫度場(chǎng)分布圖及圖7 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)應(yīng)力發(fā)展規(guī)律表明：自錨跨箱梁結(jié)構(gòu)的上下表面的拉應(yīng)力均較大，具有較高的開裂風(fēng)險(xiǎn)，且下表面的開裂風(fēng)險(xiǎn)高于上表面；因此對(duì)上、下表面須同時(shí)采取有效的養(yǎng)護(hù)措施。結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力 3d 齡期較小，7d、14d 齡期顯著增大，隨著降溫段的出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)內(nèi)外降溫速率不一致，溫度差產(chǎn)生的拉應(yīng)力增大明顯，因此，在結(jié)構(gòu)降溫段應(yīng)嚴(yán)格注意養(yǎng)護(hù)。

圖5 3d 齡期第一主應(yīng)力整體云圖

圖6 3d 齡期 5-5 剖切面第一主應(yīng)力云圖

圖7 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)應(yīng)力發(fā)展規(guī)律（橫坐標(biāo)為時(shí)間/h，縱坐標(biāo)為應(yīng)力/MPa）

根據(jù)《大體積混凝土施工規(guī)范》，C50 混凝土的 28d 抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為 2.64MPa，按照 GB 50496—2009《大體積混凝土施工規(guī)范》附錄公式（B.7-1）計(jì)算可知在 3d 齡期，混凝土的抗拉強(qiáng)度為 1.57MPa，但根據(jù)圖7 有限元計(jì)算結(jié)果顯示，3d 齡期的拉應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到 2MPa 以上，已經(jīng)超出混凝土的抗拉強(qiáng)度，必須早期就開展養(yǎng)護(hù)措施。

3 溫控措施和實(shí)際效果

根據(jù)采用 ANSYS 進(jìn)行的溫度應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)存在較高的溫度裂縫風(fēng)險(xiǎn)，因此，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在箱梁斜腹板和實(shí)心段處埋設(shè)了循環(huán)冷卻水管，在混凝土澆筑完畢之后，通入冷卻水從內(nèi)部對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行降低混凝土的溫度；在施工澆筑過(guò)程中，隨澆筑隨覆蓋土工布和塑料薄膜，從外部對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行保溫和保濕養(yǎng)護(hù)。在自錨跨箱梁的斜腹板和實(shí)心段埋設(shè)測(cè)溫點(diǎn)，根據(jù)測(cè)溫結(jié)果對(duì)混凝土進(jìn)行監(jiān)控，并反饋養(yǎng)護(hù)措施。

在整個(gè)江漢六橋項(xiàng)目 C50 自錨跨箱梁混凝土生產(chǎn)澆筑過(guò)程中，嚴(yán)格按照既定施工方案對(duì)混凝土澆筑工程和質(zhì)量進(jìn)行控制。對(duì)拆模后的箱梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，混凝土結(jié)構(gòu)整體性良好，無(wú)明顯裂縫。表明，雖然混凝土本身具有較高的溫度裂縫風(fēng)險(xiǎn)，但是可以通過(guò)采取一定的技術(shù)手段，從結(jié)構(gòu)內(nèi)部和外部同時(shí)進(jìn)行控制，能夠?qū)L(fēng)險(xiǎn)降低，提高混凝土結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要。

4 結(jié)論

（1）通過(guò) ANSYS 數(shù)值分析，混凝土結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)溫度在澆筑后 3～5 天時(shí)間內(nèi)達(dá)到最高值，內(nèi)外溫差和結(jié)構(gòu)表面溫度超過(guò)了規(guī)范要求，應(yīng)進(jìn)行降溫保濕養(yǎng)護(hù)。

（2）通過(guò) ANSYS 數(shù)值分析，在 3d 齡期混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度低于收縮應(yīng)力，具有較高的開裂風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)在早齡期及早采取相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)措施。

（3）根據(jù) ANSYS 的數(shù)值分析結(jié)果，采取了埋設(shè)循環(huán)冷卻水管、覆蓋土工布和塑料薄膜等降溫、保溫保濕措施，降低了混凝土的開裂風(fēng)險(xiǎn)，混凝土實(shí)際澆筑效果良好，結(jié)構(gòu)無(wú)明顯裂縫。

（4）采用 ANSYS 對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值分析，對(duì)施工養(yǎng)護(hù)具有較高的指導(dǎo)意義。

[1] 秦鴻根，孫偉，張亞梅．蘇通大橋不同結(jié)構(gòu)部位高性能混凝土配合比與應(yīng)用研究[J]．商品混凝土，2010(10): 55-59．

[2] 張劍鋒，王云金，唐凱，等．九江長(zhǎng)江公路大橋超寬箱梁C55粉煤灰高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)[J]．中國(guó)港灣建設(shè)，2012(6): 53-55．

[3] 李北星，天曉彬，周明凱，等．箱梁C55高性能混凝土的抗裂性能研究[J]．世界橋梁，2010(3): 40-41．

[4] 馬保國(guó)，何永佳，呂林女．高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)[J]．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002(24): 28-31．

[5] 龐二波，王艷，羅作球．天津高銀117大廈底板溫度場(chǎng)數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)[J]．施工技術(shù)，2003(18): 28-30．

[6] 王鵬，葉仁亦，翁艾平．基于 ANSYS 下混凝土箱梁水化熱溫度場(chǎng)的有限元計(jì)算[J]．鐵道建筑，2008(2):10-11．

[7] GB 50496—2009．大體積混凝土施工規(guī)范[S]．

［通訊地址］湖北省武漢市華光大道 18 號(hào)高科大廈 16 樓中建商品混凝土有限公司華中分公司技術(shù)部（430074）

The numerical analysis of temperature and stress fields and control measures for C50 prestressed box girder in Han Jiang 6th Bridge

Zhao Rixu, Song Zhenglin,Yang Wen, Pang Erbo
(China Construction Ready-mixed Concrete Co., Ltd., Wuhan Hubei 430074, China)

According to the structural characteristics of the prestressed box girder in wuhan first self-anchored cable-stayed prestressed concrete bridge, numerical analysis of temperature and stress fields in concrete construction has been carried out by means of ANSYS, and based on the results, the temperature control measures such as circulating cooling water pipe, covering insulation materials, which can reduce the risk of temperature cracks in construction, have been applied to the construction. And the actual result show that the obvious cracks in box girder is rarely, the globality and durability of box girder is well.

temperature and stress fields; thermal stresses; temperature control measures; box girder

宋正林（1985—），中建商品混凝土有限公司華中分公司，碩士研究生。