大溫差對蘭新鐵路混凝土結構溫度應力的研究

■肖成勇，姜 鵬 ■重慶交大道路橋技術研究有限公司，重慶 400060

蘭新鐵路第二雙線(新疆段)全長713.4km，設計時速200km/h以上，沿線穿越多種特殊地段和區域，氣候復雜多變，晝夜溫差巨大;冬季寒冷，夏季炎熱，屬于大溫差地區。在大溫差的影響下，混凝土結構中產生巨大的溫度應力，導致混凝土結構的耐久性下降，甚至破壞。

混凝土結構澆筑成形的過程中，水泥水化放熱和環境溫度變化導致混凝土結構產生較大的溫度應力，使混凝土產生巨大的溫度裂縫，危及混凝土結構的安全［1］。因此，研究并控制混凝土橋墩結構溫度應力的產生的原因，避免橋墩產生裂縫，提高橋梁結構的耐久性，延長結構物使用壽命，對高速鐵路建設的工程質量具有重要的意義。

混凝土橋墩的斷面尺寸比較大，混凝土澆筑成型后，由于水泥顆粒的水化作用，內部溫度急劇上升，此時混凝土硬化還沒有完成，彈性模量較小，徐變很大，升溫引起的壓應力并不大;但隨著溫度逐漸降低，混凝土硬化基本完成，彈性模量增大，徐變慢慢減小，在混凝土自身變形的約束條件下會產生很大的拉應力;混凝土橋墩表面與大氣環境接觸，一年四季中大氣溫度交替變化在大體積混凝土結構中會引起巨大的溫度應力。鐵路規范《鐵路橋涵施工規范》(TB 10203－2002)規定:當混凝土溫度與環境溫度之差大于25℃時，應按大體積混凝土施工，并應采取降溫措施［2］?！豆窐蚝┕ぜ夹g規范》(JTJ041－2000)規定:現場澆注的最小邊尺寸為1～3m且水化熱對結構引起的溫差超過25℃的混凝土稱為大體積混凝土。

本文采用有限元軟件midas進行分析，模擬大溫差的環境條件下混凝土橋墩的溫度場和應力場。分析了混凝土橋墩在采取保護措施情況下的溫度場和應力場，為混凝土的溫度應力分析提供計算依據。在有條件的地區澆筑了試驗墩，通過對試驗墩的溫度場監測，了解混凝土結構實際條件下的溫度場情況。

1 試驗墩分析模型的建立

采用有限元分析軟件midas對混凝土橋墩的溫度和應力進行仿真分析，計算試驗墩的溫度場和溫度應力場。計算中考慮了混凝土水化熱溫升變動、徐變、澆筑溫度、對流邊界條件、重力荷載等因素。

1.1 試驗墩模型的基本參數

試驗墩模型分為兩部分組成，第一部分為試驗墩基礎，采用C25的素混凝土澆筑，混凝土材料屬性參照國標“JTG04”基礎澆筑時間較早，主要是用于承載試驗墩自重荷載，材料參數見表1。第二部分為混凝土試驗墩，采用C35的素混凝土澆筑，考慮其水化作用的影響，材料參數見表1。

表1 有限元模型材料參數

混凝土試驗墩墩體所采用的C35混凝土，配合比見表2所示。試驗墩墩體混凝土同條件養護試件的試驗結果見表3。

表2 橋墩墩體C35混凝土配合比

表3 橋墩墩體C35混凝土同條件養護試件的試驗結果

1.2 模型的建立

試驗墩模型資料所示，試驗墩高4m，長6m，寬2m，兩端呈半圓形。試驗墩底部為0.3m的混凝土基礎，基礎長7m，寬3m。在midas建模過程中，考慮到曲邊劃分單元格的不方便且精確度不高。將試驗墩的模型呈半圓形的兩端用直邊替換，模型體積約有減小，不影響分析的結果。模型共劃分單元2720個實體單元。

1.3 初始條件和邊界條件

(1)環境溫度參數?；炷猎囼灦罩車h境復雜，影響因素多，包括日照、大風、大氣溫度等［3、4］;midas中環境溫度可以直接將已經測試好的環境溫度輸入到midas界面當中。輸入的時間單位為h，溫度單位為℃。試驗墩混凝土在2010年6月7日凌晨0：55分完成澆筑混凝土，澆筑初始溫度為15.2℃。采用鉑電阻溫度傳感器在試驗墩外表面采集環境溫度，溫度測試時間從第三個小時開始，共測試296個小時。

(2)放熱系數。試驗墩混凝土溫度場計算考慮第三類邊界條件，固體表面在空氣中的放熱系數(對流系數)β受到環境溫度、混凝土的溫度、混凝土表面形狀、風速、日照等因素的影響。在midas中主要考慮混凝土與空氣之間的綜合放熱系數。放熱系數β與表面形狀、風速、周圍空氣溫度等因素有關。

風速風向對于試驗墩模型的對流熱交換系數影響較大，但風速與風向是隨時間變化的，并且受到很多偶然因素的影響［5］，因此準確估計風速的日過程幾乎是不可能的。

河海大學馬躍峰博士利用反演參數計算的方法，結合風速試驗結果，建立暴露混凝土的表面熱交換系數β與風速va的關系［5］:

工程上常用的經驗公式還包括:

風速風向對于對流交換系數的影響較大，但風速與風向是隨時間變化的，并且受到很多偶然因素的影響，因此準確估計風速的日過程幾乎是不可能的。新疆烏魯木齊地區平均氣溫6.9℃，最高氣溫31.3℃，最低氣溫－31.9℃，最冷月平均氣溫 －10.5℃，最大風速34.9m/s。溫度測試期間風速為0～5m/s，簡單考慮取日平均風速為2m/s。對流系數采用確定為β=19.49+13.53×2=46.55。參數β為測試期間的放熱系數平均值，表示在溫度監測期間混凝土試驗墩暴露在空氣當中與大氣進行熱交換的速率。

1.4 保溫層的參數化模型

當混凝土表面附有保溫層材料時，有限元計算模型考慮將保溫材料考慮與混凝土表面緊密連接，將保溫材料直接加入的試驗墩有限元模型中，分析組合模型的溫度場和溫度應力場。這種計算方法的優點是在有限元計算過程能夠直觀的將保溫材料加入計算過程，能夠反應保溫層厚度變化對試驗墩模型計算的影響;缺點是由于混凝土與保溫材料之間是無法實現緊密連接，存在混凝土與空氣之間的熱交換和保溫材料與大氣的熱交換。

考慮高效保溫材料包裹在混凝土試驗墩表面，試驗墩表面包裹一層3cm橡塑板，橡塑板主要是由泡沫塑料加工制成。橡塑板的導熱系數為0.035，厚度為3cm。表面放熱系數根據河海大學馬躍峰博士推導模型，β=19.49。將各個參數代入模型中，計算模型的溫度場情況。

2 模型計算結果分析

采用有限元軟件midas計算模型，將混凝土試驗墩模型劃分為5h、30h、50h、80h、95h、110h、135h、160h、230h、280h、296h 十一個水化熱施工階段。檢查不同時間的混凝土試驗墩的溫度場。

覆蓋有保溫層的試驗墩模型第一階段5h，中心剖面溫度場情況?；炷猎囼灦諠仓尚?小時，混凝土水化放熱時間較短，內部的溫度不高，只有32.9℃，混凝土水化不充分，內部溫度比環境溫度略高。

覆蓋有保溫層的試驗墩模型在80小時，混凝土中心剖面溫度場情況。混凝土此時的最高溫度為81.2℃，由于混凝土是熱的不良導體，混凝土水化放熱，內部又無法與大氣進行充分的熱交換，導致熱量堆積，出現了一個溫度的峰值。此時，混凝土內部的溫度梯度變化明顯，形成了一個不均勻的溫度場。試驗墩在受到保溫層的保護，溫度梯度減小，混凝土內部溫度梯度為7.0℃。

由于在實際的試驗墩溫度檢測過程中，試驗必定在是有限時間段進行的。試驗墩的溫度檢測進行了296h，因此，有限元模型也考慮296h為最終水化熱施工階段。資料所示，試驗墩模型在296小時，溫度場區域緩和，溫度梯度明顯減小。

為試驗墩模型關鍵節點編號，將各個節點的溫度繪制成圖，中心節點1704號點最高溫度為81.2℃，出現的時間為混凝土水化80h。各個節點溫度曲線與沒有覆蓋保溫材料的模型曲線相比有較大的差別，在邊緣的各個節點處的溫度變化曲線要比沒有覆蓋保溫材料的模型曲線平緩了許多，說明混凝土在邊緣的各個節點的溫度受到大氣溫度的影響明顯減小。邊緣上各個節點溫度與中心節點溫度之間的溫度差也明顯減小，降低了溫度梯度。

5小時混凝土中心剖面應力場情況，混凝土此時的溫度應力很小，只有在橋墩與基礎的新老混凝土的界面上出現很小的應力。

95小時混凝土中心剖面應力場情況，最大溫度應力為1.98Mpa，為拉應力，小于混凝土的允許抗拉強度值，混凝土結構不出現裂縫。最大應力位置為橋墩的剖面中部，此處混凝土中心節點距離大氣的距離最長。

3 試驗墩溫度場監測方案

試驗墩溫度場檢測采用在混凝土試驗墩內部埋設Pt100的鉑電阻溫度傳感器的方法檢測試驗墩在澆筑完成后一段時間內的溫度場。試驗墩澆筑完成時間為2010年6月21日16：20，混凝土入模溫度28.4℃。試驗墩混凝土溫度監測于2010年6月21日0時30分開始，中心溫度為29.7℃，邊沿溫度為27.9℃，溫度差為3.7℃，距離混凝土澆筑完成約3小時。

為根據實際溫度場監測數據所得中心點和13號點、14號點三點的溫度隨齡期變化曲線。中心點的溫度要高于位于中心點下方的13號點和位于中心點下方的14號點的溫度，中心點最高溫度為71.8℃。將圖4.12中心點的曲線與圖3.20中的中心點通過midas計算得到的曲線進行比較，可以發現兩個曲線的相似的很高，但是有限元計算的結果要趨于緩和些，說明采用midas－civil計算的模型與實際的情況還是存在差別，特別是使用高效保溫材料的情況下，采用橡塑板的二號墩，橡塑板不可能像理想模型狀態與混凝土密貼在一起，使得計算結果產生差別。

曲線可以發現，在混凝土澆筑的55小時內，混凝土內部以升溫為主，混凝土與大氣的熱交換有限，混凝土不斷水化放熱，超過55h后，混凝土放熱趨于緩慢，混凝土的溫度場主要由混凝土與大氣的熱交換來決定，混凝土與大氣的熱交換越充分，則混凝土內部溫度的變化曲線越劇烈，混凝土的溫度梯度越大，溫度應力越大。

為根據實際溫度場監測數據所得中心點和13號點、14號點三點的溫度隨齡期變化曲線。中心點的溫度要高于位于中心點下方的13號點和位于中心點下方的14號點的溫度，中心點最高溫度為71.8℃。將圖4.12中心點的曲線與圖3.20中的中心點通過midas－civil計算得到的曲線進行比較，可以發現兩個曲線的相似度很高，但是有限元計算的結果要趨于緩和些，說明采用midas－civil計算的模型與實際的情況還是存在差別，特別是使用高效保溫材料的情況下，采用橡塑板的二號墩，橡塑板不可能像理想模型狀態與混凝土密貼在一起，使得計算結果產生差別。

曲線可以發現，在混凝土澆筑的55小時內，混凝土內部以升溫為主，混凝土與大氣的熱交換有限，混凝土不斷水化放熱，超過55h后，混凝土放熱趨于緩慢，混凝土的溫度場主要由混凝土與大氣的熱交換來決定，混凝土與大氣的熱交換越充分，則混凝土內部溫度的變化曲線越劇烈，混凝土的溫度梯度越大，溫度應力越大。

4 結論

(1)采用有限元軟件midas計算試驗墩模型溫度場，結果表明試驗墩中心節點最高溫度為81.2℃，內部最大溫度梯度為7.0℃。最高溫度出現在混凝土水化80h時。模型中心節點的溫度曲線較為平緩，在0～80h，試驗墩內溫度梯度逐漸擴大，80h時，溫度梯度達到峰值;80h后，試驗墩內溫度梯度逐漸減小。

(2)采用有限元軟件midas計算試驗墩模型應力場，結果表明試驗墩最大溫度應力為1.98MPa，為拉應力，小于混凝土的允許抗拉強度，混凝土結構不出現裂縫。

(3)根據實測試驗墩模型結果，實測的試驗墩溫度場與模擬計算較為吻合，兩者溫度曲線相似。

［1］勞宇.混凝土水化熱溫度損傷研究［D］.南京:河海大學.2006.

［2］中華人民共和國鐵道部標準.鐵路橋涵設計規范(TBJ2－85)第一版［M］.北京:鐵道出版社，1985，101－121.

［3］張宇鑫.大體積混凝土溫度應力仿真分析與反分析［D］.大連理工大學.2002.

［4］彭友松.混凝土橋梁結構日照溫度效應理論及應用研究［D］.西南交通大學.2007.

［5］馬躍峰.基于水化度的混凝土溫度與應力研究［D］.南京:河海大學.2006.