連續梁合龍段水化熱溫度研究

常　亮

(中鐵十局集團有限公司, 山東濟南 250101)

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連續梁合龍段水化熱溫度研究

常亮

(中鐵十局集團有限公司, 山東濟南 250101)

【摘要】高性能混凝土在澆筑后發熱速度快，發熱量高，在澆筑早期容易引起較大的內外溫差，導致表面產生較大拉應力，容易引起混凝土裂縫，因此在澆筑時要考慮水化熱的影響。論文以某連續梁合龍段箱梁截面為研究對象，在箱梁中埋設溫度傳感器，并用Midas有限元軟件建立水化熱模型進行水化熱分析。

【關鍵詞】箱梁;水化熱;有限元模型

隨著我國交通事業的快速發展，大量的連續箱梁橋正在建設，且橋梁混凝土越來越多地采用高性能混凝土，高性能混凝土在澆筑后發熱速度快，發熱量高，在澆筑早期容易引起較大的內外溫差，導致表面產生較大拉應力，容易引起混凝土裂縫[1]。箱梁一旦出現表面裂縫或貫穿性裂縫，將會對其結構的整體性、安全性和耐久性造成很大的影響，因此在澆筑時要考慮水化熱的影響，以有效防止裂縫，保證工程質量[2]。

1溫度監測

1.1工程概況

某(60 m+100 m+60 m)連續梁全長221.5 m(含兩側兩端至邊支座中心各0.75 m)，結構形式為3跨預應力混凝土連續箱梁，端支座處及邊跨直線段和跨中截面中心處梁高為4.53 m，中支點截面處梁高6.83 m，全橋箱梁頂寬12.2 m，箱梁底寬6 m，箱梁橫截面為單箱單室直腹板，頂板厚48 cm，腹板厚分別為45 cm、60 cm、90 cm、100 cm，底板厚由跨中的38 cm按圓曲線變化至中支點梁根部的97.6 cm，中支點加厚到140 cm；全橋共設5道橫隔梁，分別設于中支點、端支點和中間跨跨中截面，中支點處設置厚2.5 m的橫隔梁，邊支點處設置厚1.45 m的端橫梁，跨中合龍段設置厚0.4 m的中橫隔梁，隔板設有孔洞，供檢查人員通過。

1.2測點布置

為了準確地獲取結構的溫度場，在合龍段埋設14個溫度傳感器，箱梁內外各放置兩個溫度計來測量內外環境溫度。溫度監測中采用長JMT-36B溫度傳感器(圖1)，其具有高精度、高穩定性，高可靠性，防潮及絕緣等優良性能，適應長期監測和自動化測量。讀數儀器為JMZX-300X綜合測試儀(圖2)，溫度傳感器具體布置如圖3所示。將溫度傳感器綁扎在鋼筋上，測試導線引到混凝土表面以方便采集數據。

圖1　溫度傳感器

圖2　JMZX-300X 綜合讀數儀

圖3　合龍段截面溫度測點布置圖

1.3溫度觀察

合龍段澆筑后24 h的水化熱溫度觀測記錄見表1。

2 施工水化熱模擬

2.1水化熱理論

2. 1.1混凝土水化熱與混凝土絕熱溫升理論

混凝土水化熱有限元計算中需要用到混凝土水化產熱率和絕熱升溫理論。混凝土水化熱是依賴于齡期的，可以有三種表達式。

(1)指數式。

(1)

式中:Q(τ)為在齡期τ時的累積水化熱總量；

Q0為τ→∞時的最終水化熱(kJ·kg-1)；

τ為齡期(d)；

表1　合龍段澆筑后24 h水化熱溫度　℃

續表11039.940.541.041.441.441.942.643.11139.740.441.241.441.642.042.642.9外2424242424242628內25.5262626.526262627

m為與混凝土種類和澆筑溫度有關的系數，數值見表2。

表2　常數m

(2)雙曲線式。

(2)

式中:n為水化熱產熱量達到Q0/2時的混凝土齡期。

(3)復合指數式。

(3)

式中：a、b值通過試驗求得(表3)。

表3　水泥水化熱常數

混凝土絕熱溫升θ是指混凝土結構在密閉絕熱不產生任何能量損失的條件下，水化熱產生的能量全部轉化成混凝土結構內能時，結構所能達到的最高溫度值。在缺乏直接測定的資料時，混凝土絕熱溫升可根據水泥水化熱估算如下(二式取其一)：

(4)

(5)

式中:Th為混凝土最大絕熱溫升(℃)；

mc為混凝土中水泥用量(kg·m-3)；

c為混凝土單位熱容，取0.97(kJ·kgK-1)；

F為混凝土活性摻和料用量(kg·m-3)；

Q為水泥28 d水化熱(表4)；

k為摻和料折減系數，粉煤灰取0.25～0.30。

絕熱溫升Th(τ)與齡期τ的關系也可用指數式、雙曲線式或復合指數式表示：

(6)

(7)

(8)

式中各個參數與前式意義相同。

表4　不同品種、強度等級水泥的水化熱

2.1.2邊界條件

有限元計算中，熱力學分析常用的邊界條件有3種：

(1)第一類邊界條件

結構邊界上的溫度已知或按照已知函數分布，公式表達為：

(9)

式中:Г為物體邊界，其方向為逆時針方向；

Tw為已知邊界溫度(℃)；

f(x,y,τ)為已知邊界溫度函數(時間，坐標的函數)。

(2)第二類邊界條件

結構邊界上的熱流密度已知，公式表達為：

(10)

式中:q2為已知邊界熱流密度；

g(x,y,τ)為已知邊界熱流密度函數(時間，坐標的函數)。

(3)第三類邊界條件

與結構相接觸的流體介質溫度Tf和對流換熱系數α已知，公式表達為：

(11)

式中:β為結構表面放熱系數；

Tf為與結構相接觸的流體介質溫度(℃)，工程中主要指空氣溫度或水溫；

αS為結構表面日輻射熱量吸收系數；

S為為日輻射強度。

2.1.3混凝土早期的彈性模量

根據文獻資料，混凝土的早期彈性模量可以按下式計算：

(12)

式中:E(τ)為混凝土齡期為τ時彈性模量(MPa)；

E0為混凝土彈性模量，取標準條件下養護28 (d)的彈性模量；

φ為系數，應根據所用混凝土試驗確定，當無試驗數據時，可取0.09；

β為混凝土摻合料對彈性模量的修正系數，取值應以現場試驗數據為準，無試驗數據時可按下式計算。

摻合料修正系數計算公式：

(13)

式中:β1為混凝土中粉煤灰摻量對應的彈性模量修正系數；

β2為混凝土中礦渣粉摻量對應的彈性模量修正系數。

2.2建立水化熱模型

2.2.1幾個假定

使用Midas建立水化熱模型時的幾個基本假定；

(1)假定混凝土結構為均質體、各單元放熱率相同；

(2)假定混凝土表面的放熱系數為定值；

(3)不考慮結構內部鋼筋的影響；

(4)混凝土澆筑的初始溫度相同。

2.2.2建模的主要步驟

(1)結構建模；

(2)輸入水化熱分析數據；

(3)運行結構分析；

(4)查看分析結果。

模擬計算合龍段混凝土澆筑后7 d內的溫度變化，加載時間為7 d，前24 h每隔一個小時建立一個步驟，后6 d以0.5 d為一個荷載步共分為36個荷載步。由于篇幅限制現在只把澆筑后48 h實測和理論計算的數據列出，計算模型見圖4，圖5、圖6為混凝土澆筑后24 h的水化熱云圖，表5為合龍段澆筑后24 h后實測溫度與模型計算值對比。

圖4　實體單元水化熱分析網格劃分

圖5　澆筑后24 h溫度場分布

圖6　澆筑后24 h橫隔板溫度場分布

距離梁頂的距離/m實測值/℃模型計算值/℃0.143.045.81.154.853.41.654.152.52.154.651.82.954.651.73.754.851.74.448.646.0

由圖5、圖6、表5對比分析可以得知：梁頂實測水化熱溫度比計算數值略小，梁底和梁中的實測值略大于模型值說明實際箱梁產生的水化熱比模型中的偏大，主要是由于梁頂和底板的對流條件與模型差異造成；實測底板溫度比頂板溫度偏高，因為梁底外部被模板包圍，空氣流動不如梁頂好；在結構對稱、邊界條件也對稱時，溫度場存在著對稱性；理論數據比實測數據大10%左右，說明用Midas建立水化熱模型對實際工程問題模擬具有一定的參考價值。

合龍段水化熱溫度最大值出現在混凝土澆筑后60 h，其端部和中部溫度分布圖如圖7、圖8所示。

圖7　澆筑后60 h溫度場分布

圖8　澆筑后60 h橫隔板溫度場分布

由圖7、圖8可以看出，內部最高溫度出現在腹板和翼緣板相交處，溫度為63.6 ℃，截面內最低溫度值為42.2 ℃，內

外溫差最大值為21.4 ℃。混凝土內外溫差不大于25℃，混凝土表面溫度與環境溫差16.2℃，不大于20℃，符合規范要求，在實測中沒有發現裂縫產生。

3結束語

箱梁混凝土水化熱產生的內外溫差是溫度裂縫的直接原因，合龍段箱梁的理論計算內外溫差在規范要求范圍內，理論計算和實測值基本吻合，用MIDAS建立水化熱模型對實際工程問題模擬具有一定的參考價值。

參考文獻

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[作者簡介]常亮(1986～),男,本科，工程師，從事鐵路工程技術工作。

【中圖分類號】TU755.6+7

【文獻標志碼】B

[定稿日期]2015-11-13