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(shù)咨詢有限公司 石家莊市 050091；2.河北省道路結(jié)構(gòu)與材料工程技術(shù)研究中心 石家莊 050091；3.河北工業(yè)大學(xué) 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(jié)構(gòu)施工過程中，混凝土水化熱作用容易使橋墩壁內(nèi)外產(chǎn)生較大的溫差，產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生溫度裂縫。近年來，高速公路和鐵路跨越式大范圍的建設(shè)發(fā)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(chǎn)生和發(fā)展，因此，控制高橋墩混凝土早期裂縫的產(chǎn)生，對于保證橋梁的運(yùn)營安全及延長橋梁的使用壽命，有著重要的現(xiàn)實(shí)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(jiān)控，分析溫度變化規(guī)律，采用ANSYS有限元仿真，分析橋墩外表面和中心的溫度應(yīng)力變化規(guī)律，從而為控制大橋橋墩澆注施工出現(xiàn)過大的水化熱內(nèi)外溫差，減少高強(qiáng)混凝土產(chǎn)生溫度裂縫提供理論指導(dǎo)，以確保施工過程中高橋墩結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定[2-4]。

1 現(xiàn)場監(jiān)控

1.1 工程介紹

某大橋橫跨一個沖溝，下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩、空心薄壁墩、柱式臺、扶壁臺和樁基礎(chǔ)。

大橋左線上部結(jié)構(gòu)采用10×40m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)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(jié)構(gòu)采用9×40m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)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(diǎn)布設(shè)

為了能夠真實(shí)反映橋墩混凝土內(nèi)外溫差、降溫速度及環(huán)境因素影響，同時考慮監(jiān)測時間與導(dǎo)線、數(shù)據(jù)采集設(shè)備的連接故障問題，在溫度場監(jiān)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(nèi)部溫度場的分布情況，對橋墩溫度測試進(jìn)行了布點(diǎn)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(diǎn)：橋墩截面對稱設(shè)置20個溫度測試點(diǎn)，一側(cè)測點(diǎn)編號為①～⑩，一個大氣溫度測點(diǎn)和一個橋墩中心測點(diǎn)。見圖1所示，每個測點(diǎn)一個傳感器。

利用測量點(diǎn)的測量結(jié)果，可以用插值或者擬合的方法推測位置點(diǎn)的數(shù)據(jù)，而測點(diǎn)的布置應(yīng)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(yīng)力或溫度作用產(chǎn)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(yīng)力和變形產(chǎn)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(diǎn)布設(shè)過程以及后續(xù)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(dāng)傳感器失效后，布設(shè)的測量系統(tǒng)不影響數(shù)據(jù)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(gòu)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(hù)電纜線，并且電纜線從同一側(cè)引出，在引出處用軟管保護(hù)。

圖2 傳感器埋設(shè)位置和固定圖

實(shí)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(shè)備。

本次測量主要內(nèi)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(shù)據(jù)。連續(xù)觀測內(nèi)部及外部大氣溫度一周，每小時記錄一次。同時將風(fēng)速風(fēng)力進(jìn)行同步測試記錄，以作為數(shù)據(jù)分析參考依據(jù)。

2 試驗分析及仿真分析

2.1 試驗結(jié)果分析

由于結(jié)構(gòu)的對稱性，以其中①～⑩測點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。如圖3所示，列出了橋墩截面10個溫度測試點(diǎn)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(nèi)，每個測點(diǎn)處于高速升溫過程，主要是因為水泥水化放熱反應(yīng)的結(jié)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(diǎn)才降到彼此的常溫值(25℃左右)。

(3)90h之后，水泥水化基本結(jié)束，不再大量產(chǎn)生水化熱。

(4)從溫度測試點(diǎn)的溫度-時間歷程曲線可知，所有測試點(diǎn)的溫度變化趨勢基本一致。測點(diǎn)升溫過程較快，主要原因在于混凝土內(nèi)部溫度較高、散熱慢，導(dǎo)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(shí)體模型，進(jìn)行橋墩水化熱溫度場的數(shù)值分析。先選擇耦合單元，然后再進(jìn)行熱分析和應(yīng)力分析。選取橋墩中心截面進(jìn)行對比研究，得到其溫度應(yīng)力分布云圖和應(yīng)力變化曲線，如圖4和圖5所示。

圖4 中心截面溫度應(yīng)力分布云圖

圖5 中心與外表面溫度應(yīng)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(nèi)，橋墩外表面和中心都表現(xiàn)為壓應(yīng)力，是由于在澆注初期，橋墩內(nèi)外的溫度上升趨勢一致，同步升溫，各個截面都表現(xiàn)為升溫膨脹，橋墩受到外部約束在各個截面上都產(chǎn)生壓應(yīng)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(jìn)表面的膨脹，從而中心產(chǎn)生壓應(yīng)力，表面產(chǎn)生拉應(yīng)力。

溫度應(yīng)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(chǎn)生的拉應(yīng)力比溫度上升1℃產(chǎn)生的壓應(yīng)力相差較大。因此，拉應(yīng)力在溫降階段抵消了溫升階段的壓應(yīng)力，仍留有相當(dāng)大的拉應(yīng)力，這是導(dǎo)致混凝土早期開裂的主要原因?；炷了療岱磻?yīng)越大，引起的溫度應(yīng)力越大，則對混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的破壞作用越強(qiáng)。

在橋墩施工階段，通過選擇合理的混凝土原材料，優(yōu)化配合比設(shè)計，采用合理的構(gòu)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(yīng)、線膨脹系數(shù)和熱量比，提高混凝土的抗拉強(qiáng)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(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定。

3 結(jié)論

(1)通過現(xiàn)場監(jiān)控發(fā)現(xiàn)，混凝土水化作用下溫度的變化規(guī)律：在澆注初期，內(nèi)外溫度都因水化熱而升高，3d內(nèi)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(qiáng)于熱傳導(dǎo)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(yīng)力云圖和溫度應(yīng)力變化曲線。在澆注初期，橋墩外表面和中心的應(yīng)力都表現(xiàn)為壓應(yīng)力，隨著橋墩表面和中心溫差的增大，混凝土中心產(chǎn)生壓應(yīng)力，而在表面產(chǎn)生拉應(yīng)力。

(4)選擇合理的混凝土原材料，優(yōu)化配合比設(shè)計，采取合理的構(gòu)造措施和施工方法，以減少混凝土表面裂縫，確保橋墩結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定。