啞鈴型鋼管混凝土拱施工階段溫度場分析

王江龍，李 揚

(長安大學公路學院)

0 引 言

近年關于拱肋施工階段水化熱溫度問題雖已開展一些研究，但離形成系統體系與成熟理論算法還有相當距離。現有研究對象主要集中于圓形鋼管混凝土構件，對于不同截面形式的鋼管混凝土構件理論研究相對較少。針對啞鈴型拱肋截面水化熱溫度場分布及有限元分析等理論問題，尚未有涉及。

現有鋼管混凝土施工階段水化熱溫度場理論研究成果，結合啞鈴型鋼管混凝土截面構造及施工特點，選取合適的水泥水化熱數值計算模型，采用ANSYS 有限元軟件建立啞鈴型鋼管混凝土拱肋有限元分析模型，計算分析拱肋截面水化熱溫度場分布特點，并通過實橋溫度數據予以驗證。

1 導熱基本方程

假定鋼管混凝土水泥水化熱作用在單位時間dt 單位體積發出熱量Q，則在微元體dxdydz 體積內單位時間dt 發出熱量為Qdxdydz。微元體由于溫度升高吸收熱量表達式為，其中c 表示物質比熱;ρ 表示物質密度。

根據熱量守恒定律，吸收熱量等于外部輸入凈熱量與水泥水化熱之和，即式(1)

此外，絕熱條件下，水泥水化熱引起混凝土溫升速度如式(2)

式中:θ 為混凝土絕熱溫升;W 為水泥用量;qv為單位時間單位體積水泥釋放水化熱。代入式(1)，可得隨時間變化瞬態溫度場導熱微分方程如式(3)

2 工程實例

以某大橋為工程實例，主橋結構采用中承式鋼管混凝土系桿拱橋，跨徑為111.5 m，矢跨比1/3.063，拱軸線為懸鏈線。拱橋主拱肋截面高度3.0 m，上、下圓管直徑1 200 mm，鋼管壁厚18 mm，鋼腹板間距666 mm，截面形式如圖所示。主拱肋為新型啞鈴型，腹腔內采用工字鋼加勁，不灌注混凝土。

以文獻實橋數據作為依據。主橋鋼管混凝土灌注采用先上后下方案，泵送采用C50微膨脹混凝土，待混凝土強度達到85%以上，繼續灌注另一根圓管。圓管混凝土灌注時間間隔4 d。鋼管混凝土灌注完成后拱頂各測點溫度變化曲線如圖2 所示。

圖1 拱肋截面圖(mm)

圖2 拱頂截面溫度變化時程曲線

3 有限元分析

以大型有限元軟件ANSYS 為平臺，對鋼管混凝土拱水化熱溫度場展開分析。溫度場分析計算以整根啞鈴型拱肋為研究對象，鋼管及管內混凝土均采用Solid 70 單元，鋼管與混凝土接觸采用共用節點，假定兩者完全粘結且熱對流連續，溫度場沿拱軸線方向不發生變化。此外，假定鋼管混凝土與外界為第三類傳熱邊界條件，選取復合指數型水化熱計算模型及常用材料熱工參數，選取鋼管混凝土水化熱過程中幾個典型時刻拱頂截面溫度場，如圖3 所示。

圖3 典型時刻溫度場

通過有限元計算結果與工程溫度場實測結果比較，可得出以下分析結果:

(1)本橋鋼管混凝土灌注順序為先上后下，因此，截面水化熱溫度時程曲線大致為駝峰形，即第一個波峰為灌注上圓管混凝土后截面溫度變化，第二個波峰為灌注下圓管混凝土后截面溫度變化。

(2)上圓管混凝土灌注后，截面溫度迅速升高，達到溫度峰值后逐漸下降，經過約4～5 d 后，截面逐漸接近大氣溫度，而下圓管溫度基本不受影響。下圓管混凝土灌注后，截面溫度變化趨勢與上圓管大致相同，水化熱溫度作用持續時間基本相同。但下圓管由于受到上圓管影響，截面溫度升高幅值高于上圓管約10 ℃;而上圓管由于受到下圓管影響，截面溫度下降速度有所減慢。

(3)從橫截面角度出發，上圓管截面中心溫度在混凝土灌注后30 h 達到峰值，與邊緣最大溫差為28 ℃，下圓管截面中心溫度同樣在灌注后30h 達到峰值，與邊緣最大溫差為37 ℃。結果表明，后灌注下圓管截面溫差稍大于先灌注上圓管截面溫差。

4 結 論

基于固體熱傳導基本定律及方程，對啞鈴型鋼管混凝土拱橋施工階段水化熱溫度場進行有限元計算并與工程實測結果相互驗證，得出啞鈴型水化熱截面溫度場分布特點及變化過程，為同類型橋梁混凝土灌注施工提供理論依據。

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