連續剛構橋零號塊水化熱溫度場和應力場分析

陳啟嬋，李帥帥

(廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

連續剛構橋一般為變截面箱梁，零號塊是根部梁高最高部位，腹板、頂底板厚，施工過程中混凝土用量大，強度標號也較大，這使得混凝土在澆筑和養護中，產生大量的水化熱，混凝土內外產生較大的溫差，形成較大的溫度應力。混凝土的抗拉強度比抗壓強度要小得多，混凝土因此產生拉裂縫，所以應重視連續剛構橋零號塊水化熱的問題。

鑒于水化熱產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的連續剛構橋的零號塊為研究對象，對其進行水化熱溫度場和應力場的有限元分析。

1 工程概況

某特大橋主橋為主跨198 m的預應力混凝土連續剛構，箱梁根部梁高12.2 m，節段長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。零號塊設兩道橫隔板，隔板厚1.5 m。主墩為單肢變截面空心墩，橫橋向寬11.5 m，縱向寬由頂部7.0 m、以外壁1%的斜率漸變至底部；在墩頂縱向7.0 m范圍內，腹板位置的壁板總厚為2.1 m。零號塊采用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定義

采用有限元軟件Midas/FEA建立連續剛構零號塊實體模型，考慮其在橫向及縱向的對稱性，僅對1/4模型進行仿真分析，如下頁圖1所示。

圖1 有限元分析模型圖

2.1 混凝土熱工參數定義

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

表1 混凝土各組成成分表(kg/m3)

表2 混凝土的力學與熱工參數表

計算模型的環境溫度采用20 ℃，同時考慮混凝土在運輸、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，混凝土中水泥產生水化熱反應的總熱量使混凝土升高的溫度。混凝土絕熱溫升可按照式(1)計算[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)，則計算所得混凝土絕熱溫升取值為62.1 ℃。導溫系數a是與澆筑溫度、水泥品種等有關的經驗系數[1]，計算模型取值0.362。

2.2 邊界對流參數

計算模型的內、外模板均采用鋼模板，箱梁零號塊澆筑后，混凝土外模會與空氣發生熱傳導。為表示其在邊界面的換熱能力，采用放熱系數β表示模板對混凝土表面的散熱影響[2]。

表面放熱系數β與風速v、結構的表面粗糙度有關，可用下列公式計算得到：

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來表示：

βs=1/(1/β+Σhi/λi)

(4)

本模型經計算得到鋼模板的放熱系數為66.2 kJ/(m2·h·℃)，與空氣直接接觸的混凝土表面的放熱系數為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，每個施工工況只激活與該工況相關的單元、邊界條件以及荷載。

每個面需施加的支承邊界、單元對流邊界如表3所示。

表3 模型邊界條件一覽表

3 計算結果

3.1 整體溫度場計算結果

通過分析計算可知，混凝土澆筑后，混凝土整體溫度逐步升高，高于外界環境溫度。隨著熱交換的進行，傳熱較好的區域溫度遞減，但頂板、底板、腹板、橫隔板的中心區域溫度急劇升高，內部熱對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)。到達最高溫度后，中心區域溫度逐漸降低，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 溫度應力場計算結果

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

圖5 底板澆筑后最大應力云圖(MPa)

圖6 腹板澆筑后最大應力云圖(MPa)

圖7 頂板澆筑后最大應力云圖(MPa)

此外，在分層澆筑時，已澆筑層會因溫差對新澆筑層產生“約束”，為減弱這種“約束”對溫度應力場的影響，施工時應控制澆筑的時間間隔，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 優化混凝土配合比

在施工的實際過程中，應滿足《混凝土結構工程施工規范》對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減少水泥含量和采用低水化熱水泥等優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]。為說明優化配合比帶來的好處，本文按絕熱升溫50 ℃與原模型的絕熱升溫62.1 ℃計算對比其溫度場與應力場，結果如表4、表5所示。

表4 絕熱升溫50 ℃與62.1 ℃溫度場對比表

表5 絕熱升溫50 ℃與62.1 ℃溫度應力場對比表

4.2 注意內部熱交換的條件

本模型由于混凝土體積較大，故內、外側表面均采用鋼模板對流，若施工中內部采用木模板，則水化熱量不容易散失。根據放熱系數β的計算公式可知表面對流的放熱系數與表面粗糙度相關，計算得到的木模板的放熱系數為26.4 kJ/(m2·h·℃)，鋼模板的放熱系數是木模板的2.7倍。故在實際施工中內模盡量采用鋼模板這一類放熱系數大的材料，并適當地在零號塊內部設置通風設施來增加空氣對流，從而減少澆筑中的水化熱，降低溫度峰值、溫度應力。

4.3 注重混凝土的養護

零號塊澆筑完后應進行養護，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，保溫材料通過水分蒸發吸熱能有效減緩混凝土在高溫狀態下的水分的蒸發散失。在澆筑施工的同時，為防止水化熱局部應力過大使混凝土表面開裂，應重點注意對頂板下緣、隔板與周邊相交部位等復雜的結構區域做好相應養護措施。

4.4 新工藝、新材料

采用新工藝(如施加預壓力)、新材料(如加入鋼纖維)改善混凝土的受力性能[5-6]，阻礙混凝土內部微觀裂縫的擴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 結語

(1)連續剛構橋零號塊水化熱的高熱、高應力區域一般出現在結構板厚較大及內部熱對流條件較差的部位。

(2)零號塊分層澆筑時，要注意下層已澆筑好的混凝土對上層新澆混凝土的“約束”作用，即新舊兩層混凝土因溫差產生的溫度應力。為防止其導致的開裂，施工時應控制好分層澆筑的時間間隔。

(3)為控制溫度裂縫的發展，可以從優化混凝土配合比、降低絕熱升溫溫度、增加內部熱交換、混凝土的養護、施加預壓力、摻入鋼纖維等措施入手。