京雄城際鐵路梁體養(yǎng)護溫度智能監(jiān)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(xié)同發(fā)展的歷史性工程。京雄城際鐵路固安特大橋轉(zhuǎn)體連續(xù)梁工程為重要的控制性工程之一，因工期緊、任務(wù)重，連續(xù)梁A0#段需進入冬季施工。通過采用有限元模型分析，結(jié)合施工實時溫度監(jiān)測方法，保證了施工過程的安全性，施工質(zhì)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(nèi)，該地區(qū)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(qū)1 月環(huán)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(xù)梁跨越廊涿高速公路，公路既有路面寬27 m，規(guī)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(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，在廊涿高速公路兩側(cè)旁位支架現(xiàn)澆，橋梁轉(zhuǎn)體長度為135.85 m，轉(zhuǎn)角39.5°。在27#、28#主墩墩頂與梁底之間設(shè)置轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)體系，在26#、29#邊墩側(cè)設(shè)置牽引滑道系統(tǒng)。A0#段長38 m、寬12.6 m、高9.6 m，如圖2 所示。

圖1 固安地區(qū)1 月環(huán)境溫度變化情況

2 連續(xù)梁加熱養(yǎng)護有限元模型

2.1 模型設(shè)置

采用ANSYS 大型有限元軟件進行瞬態(tài)熱力學分析，初始模型構(gòu)建如圖3 所示。模型包括外層的玻璃纖維棉被模型、內(nèi)部鋼筋混凝土箱梁模型、內(nèi)部空氣模型、蒸汽噴口模型。各構(gòu)件均采用三維熱分析SOLID 70 六截面8 節(jié)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(xù)施加-10℃溫度，其他構(gòu)件初始溫度設(shè)定為5℃。對于蒸汽噴口，根據(jù)上述熱力學計算結(jié)果，以熱流密度形式加到蒸汽噴口單元，為分析模型持續(xù)輸出熱量。分析總時長為24 h，計算步長為0.5 h。

圖2 連續(xù)梁A0#段示意圖

圖3 有限元模型及網(wǎng)格劃分

2.2 連續(xù)梁溫度變化分析

選取模擬連續(xù)梁蒸汽養(yǎng)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(nèi)部形成較為均勻的分布，但整體內(nèi)部溫度較低，尚未滿足要求；② 經(jīng)過繼續(xù)加熱，養(yǎng)護棚內(nèi)溫度逐漸升高，至6 h，棚內(nèi)整體溫度可達8℃以上；③加熱24 h，溫度可達20℃以上?；炷亮涸诳紤]水化熱影響的情況下，強度隨著內(nèi)部溫度升高逐漸提升。在此情況下，根據(jù)混凝土通常養(yǎng)護條件，14 天齡期內(nèi)強度可以達到設(shè)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(jù)上述連續(xù)梁蒸汽加熱養(yǎng)護后整體溫度變化情況，選取連續(xù)梁內(nèi)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?；炷亮号飪?nèi)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(yǎng)護需求。具體施工時，如果發(fā)現(xiàn)箱梁內(nèi)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(nèi)部，以減小內(nèi)外溫度差，降低溫度應(yīng)力的不利影響。

連續(xù)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(xù)梁上翼緣溫度較高，沿縱向分布差異不大，連續(xù)梁內(nèi)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(xù)梁A0#段加熱溫度云圖（單位：℃）

3 暖棚搭設(shè)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(zhí)行《建筑施工腳手架安全技術(shù)統(tǒng)一標準》（GB 51210-2016）要求。腳手架搭設(shè)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(nèi)側(cè)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(jù)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(nèi)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(yǎng)護段箱梁長度為42 m，縱向間距4.2 m 設(shè)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(shè)及蒸汽管道布置如圖8、圖9 所示。

圖7 腳手架搭設(shè)三維有限元模型

圖8 養(yǎng)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(jiān)測方案

為響應(yīng)智能京雄建造理念，本工程采用溫度傳感器并配套無線數(shù)據(jù)傳輸發(fā)射設(shè)備，運用自動化監(jiān)測手段對溫度變化進行實時監(jiān)測。無線數(shù)據(jù)傳輸模塊是由無線數(shù)據(jù)傳輸終端和無線數(shù)據(jù)傳輸主機組成，依靠成熟的通用分組無線服務(wù)（GPRS）/全球移動通信系統(tǒng)（GSM）網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)可以快速組建數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)實時遠程數(shù)據(jù)傳輸。智能溫度監(jiān)測系統(tǒng)具備如下特點：①系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，可快速安裝部署；②采集的數(shù)據(jù)實時無線傳輸至云端，保證了數(shù)據(jù)的及時和準確性；③數(shù)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(shù)據(jù)云平臺能夠提供數(shù)據(jù)存儲、計算分析、在線預警等數(shù)據(jù)服務(wù)。

在京雄城際鐵路固安特大橋連續(xù)梁A0#段內(nèi)，根據(jù)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(jiān)測布置點如下：每個T型結(jié)構(gòu)2 個監(jiān)測截面，每個截面4 個測點，分別布置于連續(xù)梁頂部、內(nèi)箱底部及翼緣板左右各1 個點位，共計測點總數(shù)16 個。

圖10 溫度傳感器布置圖

在混凝土澆筑前后及養(yǎng)護階段，對溫度變化實時監(jiān)測，每10 min 采樣1 次，系統(tǒng)自動進行閥值判斷，一旦超出設(shè)定的正常范圍，自動發(fā)送報警短信。針對溫度變化情況，適時調(diào)整防寒保溫措施。

智能溫度監(jiān)測系統(tǒng)可分析蒸汽養(yǎng)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(yǎng)護階段，可繪制出環(huán)境溫度及養(yǎng)護溫度變化時程曲線，如圖11 所示，實現(xiàn)了關(guān)鍵監(jiān)測部位實時不間斷監(jiān)測。

圖11 溫度變化的時程曲線圖

5 結(jié)語

在京雄城際鐵路跨廊涿高速72 m + 128 m + 72 m 轉(zhuǎn)體支架連續(xù)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(shè)計，應(yīng)用智能溫度監(jiān)控系統(tǒng)對混凝土施工養(yǎng)護全過程進行實時監(jiān)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(xù)梁A0#段冬期施工質(zhì)量，推動了智能建造及信息化等方面的結(jié)合應(yīng)用，并為同類工程提供參考。