連續(xù)剛構(gòu)橋零號(hào)塊水化熱溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分析

陳啟嬋，李帥帥

(廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

連續(xù)剛構(gòu)橋一般為變截面箱梁，零號(hào)塊是根部梁高最高部位，腹板、頂?shù)装搴瘢┕み^程中混凝土用量大，強(qiáng)度標(biāo)號(hào)也較大，這使得混凝土在澆筑和養(yǎng)護(hù)中，產(chǎn)生大量的水化熱，混凝土內(nèi)外產(chǎn)生較大的溫差，形成較大的溫度應(yīng)力?；炷恋目估瓘?qiáng)度比抗壓強(qiáng)度要小得多，混凝土因此產(chǎn)生拉裂縫，所以應(yīng)重視連續(xù)剛構(gòu)橋零號(hào)塊水化熱的問題。

鑒于水化熱產(chǎn)生的裂縫問題日益凸顯，本文以某高速公路上的一座主跨為198 m的連續(xù)剛構(gòu)橋的零號(hào)塊為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行水化熱溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的有限元分析。

1 工程概況

某特大橋主橋?yàn)橹骺?98 m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，箱梁根部梁高12.2 m，節(jié)段長(zhǎng)14 m，采用單箱單室直腹板截面，箱梁頂板寬度為16.5 m，底板寬度為9.5 m，頂板厚1.0 m，底板厚1.5 m，腹板厚1.1 m。零號(hào)塊設(shè)兩道橫隔板，隔板厚1.5 m。主墩為單肢變截面空心墩，橫橋向?qū)?1.5 m，縱向?qū)捰身敳?.0 m、以外壁1%的斜率漸變至底部；在墩頂縱向7.0 m范圍內(nèi)，腹板位置的壁板總厚為2.1 m。零號(hào)塊采用C60混凝土，主墩采用C50混凝土。主墩延伸至主梁部分與主梁一起澆筑，采用C60混凝土。

2 有限元模型的建立與熱工參數(shù)定義

采用有限元軟件Midas/FEA建立連續(xù)剛構(gòu)零號(hào)塊實(shí)體模型，考慮其在橫向及縱向的對(duì)稱性，僅對(duì)1/4模型進(jìn)行仿真分析，如下頁(yè)圖1所示。

圖1 有限元分析模型圖

2.1 混凝土熱工參數(shù)定義

本模型擬采用的混凝土配合比如表1所示。根據(jù)混凝土的配合比組成可估算出導(dǎo)熱系數(shù)λ和比熱c[1]，混凝土的力學(xué)與熱工參數(shù)如表2所示。

表1 混凝土各組成成分表(kg/m3)

表2 混凝土的力學(xué)與熱工參數(shù)表

計(jì)算模型的環(huán)境溫度采用20 ℃，同時(shí)考慮混凝土在運(yùn)輸、泵送過程中的摩擦，骨料受外界氣溫影響等因素，入模溫度按20 ℃取值。

混凝土絕熱溫升指的是在與外界沒有熱交換的情況下，混凝土中水泥產(chǎn)生水化熱反應(yīng)的總熱量使混凝土升高的溫度?；炷两^熱溫升可按照式(1)計(jì)算[1]：

T(t)=Q0(W+k·F)/(c·p)

(1)

式中：W——水泥用量；

F——摻和料用量。

k取0.25(粉煤灰混凝土)，則計(jì)算所得混凝土絕熱溫升取值為62.1 ℃。導(dǎo)溫系數(shù)a是與澆筑溫度、水泥品種等有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)[1]，計(jì)算模型取值0.362。

2.2 邊界對(duì)流參數(shù)

計(jì)算模型的內(nèi)、外模板均采用鋼模板，箱梁零號(hào)塊澆筑后，混凝土外模會(huì)與空氣發(fā)生熱傳導(dǎo)。為表示其在邊界面的換熱能力，采用放熱系數(shù)β表示模板對(duì)混凝土表面的散熱影響[2]。

表面放熱系數(shù)β與風(fēng)速v、結(jié)構(gòu)的表面粗糙度有關(guān)，可用下列公式計(jì)算得到：

表面粗糙度：β=23.9+14.5v

(2)

表面光滑度：β=21.8+13.53v

(3)

若混凝土表面覆蓋有如鋼板等保溫層，可以用等效放熱系數(shù)來(lái)表示：

βs=1/(1/β+Σhi/λi)

(4)

本模型經(jīng)計(jì)算得到鋼模板的放熱系數(shù)為66.2 kJ/(m2·h·℃)，與空氣直接接觸的混凝土表面的放熱系數(shù)為71.8 kJ/(m2·h·℃)。

2.3 澆筑順序及邊界模擬

由于本橋混凝土方量較大，水化熱引起溫升較高，故考慮采用分層澆筑。本模型分三次澆筑完成，即先澆筑底板、再澆筑腹板及隔板，最后澆筑頂板，每個(gè)施工工況只激活與該工況相關(guān)的單元、邊界條件以及荷載。

每個(gè)面需施加的支承邊界、單元對(duì)流邊界如表3所示。

表3 模型邊界條件一覽表

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 整體溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

通過分析計(jì)算可知，混凝土澆筑后，混凝土整體溫度逐步升高，高于外界環(huán)境溫度。隨著熱交換的進(jìn)行，傳熱較好的區(qū)域溫度遞減，但頂板、底板、腹板、橫隔板的中心區(qū)域溫度急劇升高，內(nèi)部熱對(duì)流條件較差的部位溫度遞減不明顯，高于外表面溫度。澆筑后第4 d溫度達(dá)到最高值，底板澆筑后最高溫度為60.1 ℃(見圖2)，腹板澆筑后最高溫度為63.6 ℃(見圖3)，頂板澆筑后最高溫度為56.4 ℃(見圖4)。到達(dá)最高溫度后，中心區(qū)域溫度逐漸降低，底板、腹板、頂板各部分溫度也隨之降低，最終整體溫度趨于與環(huán)境溫度平衡。

圖2 底板澆筑后最高溫度云圖(僅示底板，℃)

圖3 腹板澆筑后最高溫度云圖(僅示腹板，℃)

圖4 頂板澆筑后最高溫度云圖(僅示頂板，℃)

3.2 溫度應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

水化熱前期，因澆筑產(chǎn)生大量熱量，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部聚集，出現(xiàn)高溫、膨脹，由于外表面與外界進(jìn)行對(duì)流散熱使得溫度相對(duì)產(chǎn)生收縮，出現(xiàn)內(nèi)部受壓、外表面受拉的情況。開始階段，每層澆筑的各部分應(yīng)力值不是很大，在第4 d各部分應(yīng)力均到達(dá)最大值，其中底板與橋墩、底板與腹板、頂板與腹板相交位置因結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，底板澆筑后最大應(yīng)力為3.2 MPa(見圖5)，腹板澆筑后最大應(yīng)力為4.6 MPa(見圖6)，頂板澆筑后最大應(yīng)力為3.1 MPa(見圖7)。

圖5 底板澆筑后最大應(yīng)力云圖(MPa)

圖6 腹板澆筑后最大應(yīng)力云圖(MPa)

圖7 頂板澆筑后最大應(yīng)力云圖(MPa)

此外，在分層澆筑時(shí)，已澆筑層會(huì)因溫差對(duì)新澆筑層產(chǎn)生“約束”，為減弱這種“約束”對(duì)溫度應(yīng)力場(chǎng)的影響，施工時(shí)應(yīng)控制澆筑的時(shí)間間隔，減小分層澆筑的齡期差。

4 水化熱溫度裂縫的控制措施

4.1 優(yōu)化混凝土配合比

在施工的實(shí)際過程中，應(yīng)滿足《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》對(duì)混凝土絕熱溫升不超過50 ℃的要求[2]，可以通過摻加粉煤灰來(lái)減少水泥含量和采用低水化熱水泥等優(yōu)化混凝土配合比的措施控制絕熱溫升以及改變混凝土的性能[3]。為說明優(yōu)化配合比帶來(lái)的好處，本文按絕熱升溫50 ℃與原模型的絕熱升溫62.1 ℃計(jì)算對(duì)比其溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)，結(jié)果如表4、表5所示。

表4 絕熱升溫50 ℃與62.1 ℃溫度場(chǎng)對(duì)比表

表5 絕熱升溫50 ℃與62.1 ℃溫度應(yīng)力場(chǎng)對(duì)比表

4.2 注意內(nèi)部熱交換的條件

本模型由于混凝土體積較大，故內(nèi)、外側(cè)表面均采用鋼模板對(duì)流，若施工中內(nèi)部采用木模板，則水化熱量不容易散失。根據(jù)放熱系數(shù)β的計(jì)算公式可知表面對(duì)流的放熱系數(shù)與表面粗糙度相關(guān)，計(jì)算得到的木模板的放熱系數(shù)為26.4 kJ/(m2·h·℃)，鋼模板的放熱系數(shù)是木模板的2.7倍。故在實(shí)際施工中內(nèi)模盡量采用鋼模板這一類放熱系數(shù)大的材料，并適當(dāng)?shù)卦诹闾?hào)塊內(nèi)部設(shè)置通風(fēng)設(shè)施來(lái)增加空氣對(duì)流，從而減少澆筑中的水化熱，降低溫度峰值、溫度應(yīng)力。

4.3 注重混凝土的養(yǎng)護(hù)

零號(hào)塊澆筑完后應(yīng)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，可以在混凝土表面覆蓋如濕麻片、土工布等保溫材料[4]，并灑水以維持表面材料的濕潤(rùn)，保溫材料通過水分蒸發(fā)吸熱能有效減緩混凝土在高溫狀態(tài)下的水分的蒸發(fā)散失。在澆筑施工的同時(shí)，為防止水化熱局部應(yīng)力過大使混凝土表面開裂，應(yīng)重點(diǎn)注意對(duì)頂板下緣、隔板與周邊相交部位等復(fù)雜的結(jié)構(gòu)區(qū)域做好相應(yīng)養(yǎng)護(hù)措施。

4.4 新工藝、新材料

采用新工藝(如施加預(yù)壓力)、新材料(如加入鋼纖維)改善混凝土的受力性能[5-6]，阻礙混凝土內(nèi)部微觀裂縫的擴(kuò)展以及外在宏觀裂縫的形成，有效改善混凝土的抗拉、抗彎等性能，并使其具有一定的延性。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)連續(xù)剛構(gòu)橋零號(hào)塊水化熱的高熱、高應(yīng)力區(qū)域一般出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)板厚較大及內(nèi)部熱對(duì)流條件較差的部位。

(2)零號(hào)塊分層澆筑時(shí)，要注意下層已澆筑好的混凝土對(duì)上層新澆混凝土的“約束”作用，即新舊兩層混凝土因溫差產(chǎn)生的溫度應(yīng)力。為防止其導(dǎo)致的開裂，施工時(shí)應(yīng)控制好分層澆筑的時(shí)間間隔。

(3)為控制溫度裂縫的發(fā)展，可以從優(yōu)化混凝土配合比、降低絕熱升溫溫度、增加內(nèi)部熱交換、混凝土的養(yǎng)護(hù)、施加預(yù)壓力、摻入鋼纖維等措施入手。