大跨度鋼管混凝土拱橋水化熱的試驗與數值分析

高衛衛（中鐵十二局集團有限公司，山西 太原　030022）

大跨度鋼管混凝土拱橋水化熱的試驗與數值分析

高衛衛
（中鐵十二局集團有限公司，山西 太原030022）

隨著鋼管混凝土拱橋跨徑的增大，拱肋直徑勢必相應增加，混凝土水化熱問題也隨之突顯。本文基于某大跨度鋼管混凝土拱橋的水化熱試驗，結合實測和有限元計算數據對水化熱產生的拱肋溫度場進行了分析。試驗及有限元計算結果表明，鋼管混凝土拱橋水化熱導致拱肋截面最高溫度達74.1℃，最大溫差可達30℃。在混凝土澆注完7 d后，鋼管混凝土拱肋的水化熱的影響基本消失。

鋼管混凝土拱橋；水化熱；溫度場；現場測試；有限元法

隨著鋼管混凝土拱橋跨徑的增大，拱肋內混凝土尺寸相應增加，往往使其截面直徑大于1 m，符合《大體積混凝土施工規范》（GB 50496—2009）［1］對大體積混凝土的定義。但與此同時，受制于設計條件，鋼管內混凝土很難像常規的大體積混凝土（如承臺、橋墩等）一樣在內部布設冷卻水管，因此大跨度鋼管混凝土拱橋水化熱問題比較突出。另外鋼管混凝土拱橋的水化熱與其成橋后的受力狀態有直接聯系［2］。因此有必要對大跨度鋼管混凝土拱橋的水化熱進行研究。陳寶春等［2］使用有限差分法對鋼管混凝土水化熱溫度場求解，并在一個鋼管混凝土拱橋構件上進行了水化熱試驗加以驗證。林春嬌等［3］測定了一個10 m跨徑單管拱肋模型的水化熱過程溫度變化，通過實測數據對水化熱進行了分析。孫國富［4］在一座實橋上埋設了3個測溫元件，進行了基于實橋的水化熱試驗。宣繼明等［5］使用有限元軟件LUCAS對拱肋水化熱及相應溫度自應力進行了計算。水化熱試驗可以直接測定拱肋的水化熱溫度場情況，但往往受到成本限制，數據有限；有限元計算可以全面地考察水化熱溫度場情況，但需通過試驗來證實。目前相關的研究多集中在構件或小直徑鋼管混凝土拱橋上，不能真實地反應大跨度鋼管混凝土拱橋的水化熱規律。

本文以一鐵路鋼管混凝土拱橋為背景，將水化熱試驗和有限元計算結合，進行大跨度鋼管混凝土拱橋的水化熱研究。

1　工程背景

一鐵路上承式鋼管混凝土拱橋，主跨360 m，2片桁架拱肋向中間傾斜8°，通過相貫線焊接形式的K形鋼管連接。桁架拱肋由上、下2片啞鈴截面組成，啞鈴截面單根鋼管外徑為1.5 m，鋼管壁厚30～35 mm。拱頂拱肋截面如圖1所示。拱肋鋼結構采用Q370qD，拱肋內部填充C50微膨脹混凝土，每1 m3混凝土原材料用量見表1。拱肋內部混凝土單根管澆注，兩岸對稱同步。管內混凝土從拱腳至拱頂連續澆注，保證在澆注完成時拱腳混凝土尚未初凝。首先進行1號管的澆注，管內混凝土達到90%的設計強度（5 d）后進行另外一根鋼管混凝土的澆注。

圖1　拱肋截面（單位：mm）

表1　每1 m2混凝土原材料用量　kg/m3

2　水化熱試驗

2.1試驗概況

測溫元件布置于圖1中1號管拱頂截面，主要基于以下考慮：拱橋的拱頂是關鍵部位，具有代表性；混凝土在拱頂處流速慢，對測溫傳感器無損害；1號管首先進行混凝土澆注，所測數據對以后各管的混凝土澆注可以提供參考。拱肋內部測溫元件采用IFT-36A型混凝土溫度傳感器，量程為 -20～100℃，精度為0.1℃，大氣溫度采用水銀溫度計進行測量。

選取1號管的拱頂截面布置測溫元件，計32個。定位鋼筋與拱肋鋼管固接，傳感器的導線由拱頂排漿孔引出。試驗測點設計布置及現場實際布置情況如圖2、圖3所示。

圖2　測點布置（單位：mm）

圖3　測點現場

根據工程經驗以及理論分析，鋼管內混凝土澆注完成后，拱肋混凝土溫度會在約12 h后開始上升，而在第3 d左右水化熱大部分釋放完成，溫度隨之穩定下降。因此于澆注完成 12 h后開始記錄。其中第12 h至第29 h，每1 h記錄1次；第35 h至第44 h，每2 h記錄1次，此時拱肋截面溫度已穩定下降，在澆注完成60 h后進行最后1次記錄。在3 d的試驗過程中，天氣陰，無直接日照，日均氣溫 19.0℃，風力在1 m/s以下。

2.2實測結果

本次試驗布置了較多的溫度測點，但對于無日照作用下的有內熱源瞬態溫度場來說，必然為軸對稱分布，僅需列出有代表性的幾個關鍵點的實測數據，即可達到描述鋼管混凝土拱肋溫度場并驗證水化熱有限元模型分析正確性的目的。選取中心點 a、1/2半徑點b、外側點c作為主要的數據采集點，并用相應的b'，c'點來校對。各點位置參見圖2。測點溫度曲線見圖4。

圖4　測點溫度曲線

由圖4可以看出：

1）鋼管混凝土拱橋管內混凝土初凝后會有很強的水化放熱現象。中心處測點 a在澆筑完成27 h后達到最高值74.1℃，其他測點也幾乎同時達到最大值。隨后各測點溫度相對平緩下降。

2）測點b和b'，c和c'溫度變化規律相同，后期數值也基本相等，符合溫度場軸對稱分布的理論預期。

3）b，b'測點在開始時有15℃溫差，原因在于混凝土首先到達b'點，在此處更早釋放水化熱；而當全部混凝土均初凝開始后，b，b'測點溫度迅速接近一致。c，c'測點也有類似規律。

4）各測點之間實測的最大溫差可達30℃。

3　有限元計算

3.1有限元模型

有限元計算與試驗實測相比，其優勢在于能夠得到任意時刻、截面任意位置的水化熱溫度值，可以更全面地對鋼管混凝土拱橋水化熱溫度場進行分析。選取試驗截面，基于ANSYS軟件進行水化熱有限元數值模擬。模擬求解的關鍵在于對材料熱工參數、水化熱內熱源、邊界與初始條件的確定［6］。

鋼材的熱工參數參照文獻［7］進行取值。混凝土的熱工參數取值與其各組成材料的熱工性能相關［8］，根據表1的材料組成進行計算。混凝土與鋼材的熱工參數如表2所示。

表2　鋼、混凝土熱工參數

常用的混凝土水化熱內熱源模型有指數式、復合指數式和雙曲線式［9］，因所用材料配比類似，水化熱模型參考文獻［4］，采用雙曲線式水化放熱模型。根據實驗室測定，表 1中水泥水化熱為 364.7 kJ/kg （3 d），并通過表1配合比計算即可得到本文所用澆注混凝土的水化熱放熱曲線。

按水化熱試驗時的實際情況進行邊界條件施加。初始溫度與混凝土入模溫度一致，取為20℃。

模型使用八節點四邊形單元 Plane77進行模擬，鋼材與混凝土單元結合處共用節點以滿足界面連續的要求。模擬截面合計380個單元，1 181個節點。計算以每1 h為一個荷載步，連續分析10 d。有限元模型如圖5所示。

圖5　有限元模型

3.2計算結果

為考察有限元結果計算的正確性，選取測點a，b，c的溫度計算值與實測值進行對比，如圖6所示。

由圖6可以看出：各測點的溫度計算值與實測值變化趨勢完全一致，計算值與實測值相當接近，最大僅有約3℃的溫差。這說明本文計算模型所選取的材料熱工參數、水化熱雙曲線放熱模型、邊界與初始條件適用于大跨鋼管混凝土拱橋拱肋混凝土的水化熱計算。有限元方法可以較好地模擬鋼管混凝土拱肋的水化熱溫度場。

圖6　測點a，b，c的溫度計算值與實測值

為考察拱肋截面不同時刻溫度分布，選取典型的1-5（見圖5）點，分別距圓心0，0.360，0.648，0.720（混凝土邊緣），0.750 m（鋼管外表面）。1～5點在澆筑完成10 d內的溫度變化曲線見圖7。此外，計算得到澆注完成10 h，25 h，30 h，3 d，7 d后的水化熱溫度場，其中10 h，30 h及7 d的溫度場云圖如圖8所示，可以直觀地看出拱頂截面澆注完成后各時刻的溫度場分布情況。

圖7　典型點位的溫度變化曲線

圖7、圖8的計算結果表明：

1）混凝土初凝開始后，水化放熱劇烈，截面核心溫度迅速升至最高，然后相對緩慢下降，最后將趨于環境溫度；

圖8　拱頂各時刻溫度場云圖（單位：℃）

2）截面最大溫差隨著中心處混凝土的溫度升高而變大，在澆筑完成后30 h左右到達最大值30.2℃，然后逐漸減小，最后整個截面各處溫度基本相同；

3）混凝土內部溫度曲線后期趨于一條水平線，相對恒定，外側混凝土溫度曲線后期呈周期性變化，說明其易受到外界環境溫度的影響；

4）在澆筑完成7 d后拱肋截面的溫度整體上接近于氣溫，可以認為溫度水化熱的影響基本消失。

4　結論

1）有限元法可對鋼管混凝土拱橋拱肋內混凝土水化熱現象進行準確模擬，由此可得到混凝土澆注完成后各個時刻的拱肋截面溫度場。

2）大跨度鋼管混凝土拱肋水化熱現象突出，以試驗橋為例，其截面最大溫度74.1℃，計算得到截面最大溫差達30.2℃，需要引起重視。

3）大跨度鋼管混凝土拱肋截面的水化熱溫度場呈軸對稱分布，其核心處混凝土溫度在水化熱后期保持穩定，而外側混凝土溫度則易受外界環境溫度影響。

4）水化熱對鋼管混凝土拱橋拱肋的影響可以認為在7 d后基本消失。

［1］中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB 50496—2009大體積混凝土施工規范［S］.北京：中國計劃出版社，2009.

［2］陳寶春，劉振宇.鋼管混凝土拱橋溫度問題研究綜述［J］.福州大學學報（自然科學版），2009（3）：412-418.

［3］林春姣，鄭皆連，黃海東.鋼管混凝土拱計算合龍溫度試驗研究［J］.廣西大學學報（自然科學版），2010，35（4）：601-609.

［4］孫國富.大跨度鋼管混凝土拱橋日照溫度效應理論及應用研究［D］.濟南：山東大學，2010.

［5］宣紀明，向華偉，蘆可琪.鋼管混凝土拱橋拱肋水化熱溫度場和溫度應力分析［J］.橋梁建設，2010（3）：29-32，46.

［6］楊世銘，陶文栓.傳熱學［M］.4版.北京：高等教育出版社，2006.

［7］趙常煜.大體積承臺混凝土水化熱溫度有限元分析與控制［J］.鐵道建筑，2012（9）：47-49.

［8］朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制［M］.北京：中國電力出版社，1999.

［9］崔容義.大跨度橋梁邊墩水化熱溫度場分析與合理溫控措施研究［J］.鐵道建筑，2011（7）：36-38.

（責任審編孟慶伶）

Hydration Heat Test and Numerical Analysis for Long Span Concrete-filled Steel Tube Arch Bridge

GAO Weiwei
（China Railway 12th Bureau Group Co.，Ltd.，Taiyuan Shanxi 030022，China）

W ith the increase of bridge span，the diameter of the concrete-filled steel tube（CFST）arch rib increases，causing severe hydration heat.T he hydration heat test was conducted on a long span CFST arch bridge in this paper.Finite element method（FEM）was used to calculate the temperature field of arch rib，and the calculated results and the test results were used for analyzing the hydration heat of CFST arch bridge.T he results show that the temperature caused by hydration heat can be up to 74.1℃and temperature difference can be up to 30℃.T he inflence of hydration heat on CFST arch bridge disappeared after 7 days since the completion of concrete pouring.

Concrete-filled steel tube arch bridge；Hydration heat；T emperature field；Field test；Finite element method

U446.2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.08

1003-1995（2016）08-0035-04

2015-08-31；

2016-05-09

高衛衛（1983— ），男，工程師。