基于ANSYS的橋梁大體積混凝土水化熱分析

尹光凱 王建亮

（中電建路橋集團有限公司,北京 100048）

0 引言

隨著對橋梁跨越能力要求的不斷提高，大體積混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件越來越多地出現(xiàn)在橋梁建設(shè)中。大體積混凝土斷面大、水泥用量多，在施工過程中，水泥水化會釋放出大量水化熱，但由于構(gòu)件尺寸大，混凝土導熱性能差，熱量無法及時排除，產(chǎn)生內(nèi)外溫差，進而導致混凝土構(gòu)件產(chǎn)生溫度裂縫，影響結(jié)構(gòu)的耐久性能。《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定[1]，大體積混凝土施工時內(nèi)部最高溫度不大于75℃。因此在施工前做好溫度場的模擬分析，對橋梁施工時如何采取控制措施有一定的指導意義。基于此，本文應用ANSYS軟件[2-5]對箱梁澆筑時的水化熱溫度場建模，分析箱梁內(nèi)溫度變化規(guī)律，提出對箱型梁大體積混凝土施工開裂控制的養(yǎng)護建議。

1 工程概述

某高速鐵路施工項目采用懸臂澆筑施工法，預應力箱梁全長145.5m，計算跨度為40m+64m+40m，橋梁寬12.6m，箱梁采用C50混凝土，單箱單室，本文模擬的梁體尺寸見圖1所示。

圖1 箱梁尺寸示意圖

2 大體積混凝土水化熱溫度場概述

大體積混凝土澆筑后水化放熱，可視為具有內(nèi)部熱源強度的連續(xù)介質(zhì)，因此應用瞬態(tài)熱溫度場進行分析[6]。瞬態(tài)熱分析的過程是利用熱平衡條件建立熱傳導方程，給與特定的初始條件和邊界條件進行求解。其熱傳導方程求解如下：

式中：

Q——單位時間內(nèi)單位體積的水泥水化產(chǎn)生的熱量，kJ/(kg · h)；

?——導熱系數(shù)，kJ/(m · h · ℃)；

c——比熱，kJ/(kg · ℃)；

ρ——混凝土密度，kg/m3。

絕熱條件下，混凝土內(nèi)部溫度上升速度為：

式中：

θ——混凝土絕熱溫升，kJ/kg。

將式（2）帶入式（1），得到熱傳導方程：

ANSYS軟件中的熱分析控制方程與混凝土的熱傳導微分方程相統(tǒng)一，并且瞬態(tài)熱分析中的有限元方程可經(jīng)熱傳導微分方程變分得到。因此可用ANSYS對大體積混凝土的水化傳熱過程進行分析，ANSYS水化熱分析流程如圖2所示。

圖2 ANSYS水化熱分析流程

3 基于ANSYS的無砟軌道箱梁水化熱分析

3.1 ANSYS模型建立

本文利用ANSYS瞬態(tài)熱分析無砟軌道箱梁水化過程，有限元模型采用三維實體模型，三維溫度單元采用Solid70。無砟軌道箱梁的水化傳熱過程主要是沿箱梁橫向傳熱，對縱向的影響較小，因此本文中的箱梁實體模型縱向長度選用單位長度。并且箱梁從幾何形狀上講是對稱的，相應的其溫度荷載和邊界條件也是對稱的，所以本次模型取箱梁的1/2進行水化熱分析，如圖3所示。

圖3 1/2箱梁模型圖

3.2 溫度荷載施加

無砟軌道箱梁溫度場分析中施加的荷載為混凝土的生熱率，即水泥水化產(chǎn)生的熱荷載，本文采用的水泥水化熱絕熱溫升表達式如下[7-8]：

式中：

t——齡期，d；

Q(t)——齡期為t時的累計水化熱，kJ/kg；

Q0——最終水化熱，kJ/kg，常用水泥的水化熱量Q0見表1；

表1 常用水泥的水化熱量Q0

m——常數(shù)，常數(shù)m與澆筑溫度等相關(guān)，具體關(guān)系見表2。

表2 常數(shù)m隨溫度變化值

在ANSYS 軟件中，采用生熱率HGEN 來表示混凝土的絕熱溫升，根據(jù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場的實際情況，將HGEN 作為荷載，根據(jù)水化齡期的增長情況施加在箱梁的節(jié)段上，箱梁模型的初始溫度取澆筑溫度25℃。混凝土結(jié)構(gòu)與空氣的熱對流按照第三類邊界條件處理，設(shè)置計算時間，利用牛頓拉普拉斯求解，并打開時間積分效應進行瞬態(tài)分析。

3.3 無砟軌道箱梁澆筑模擬

本文中無砟軌道箱梁分為兩次澆筑，ANSYS軟件中可以用單元生死功能來模擬在實際施工中兩層混凝土的澆筑。在建立箱梁模型時，已按照澆筑要求，建立了所涉及的所有部分，并賦予了單位類型、材料屬性等參數(shù)。在澆筑之前，將所有未澆筑混凝土單元撒施，并按照澆筑順序，激活相應的混凝土單元，設(shè)置邊界條件及施加相應荷載進行水化熱計算。

單元的生死功能并非是在ANSYS軟件中將單元刪除，而是將相應的單元矩陣乘以一個非常小的縮減因數(shù)，縮減因數(shù)一般取值1e-6，所以在模擬混凝土澆筑的過程，就是利用縮減因數(shù)，將未澆筑的混凝土“殺死”，在澆筑時再重新“復活”這些單元。在模擬中特別注意的是，應將“殺死”的單元的節(jié)點自由度進行約束，并在單元激活時將約束刪除。

3.4 計算結(jié)果及分析

取核心溫度區(qū)節(jié)點，繪制溫度時程圖，如圖4所示。

圖4 節(jié)點溫度時程圖

根據(jù)ANSYS分析結(jié)果，無砟軌道箱梁在混凝土澆筑完成后，溫度迅速上升到溫度峰值，后隨著水化能力的減弱，溫度逐漸下降，降溫的速率明顯小于升溫速率。從各時間段溫度云圖中可知，箱梁內(nèi)部溫度核心區(qū)的面積隨著時間的推移逐漸變小，這是由于箱梁結(jié)構(gòu)中心位置水化熱很難散發(fā)，大量的熱量集中在結(jié)構(gòu)中心位置，當水化放熱的速率慢慢低于混凝土傳熱的速率后，核心區(qū)的面積會逐漸減小。從箱梁節(jié)點溫度時程圖可知，最高溫度出現(xiàn)在澆筑后第12d，核心區(qū)峰值溫度為59.7℃，根據(jù)《大體積混凝土施工標準》的要求，大體積混凝土內(nèi)部溫度不大于75℃，所以此次箱梁的施工符合規(guī)范的要求。

通過ANSYS分析，得到箱梁在不同時間段下的溫度場分布云圖，本文中給出部分時間溫度場云圖，如圖5所示。

圖5 箱梁溫度云圖

4 結(jié)束語

通過對無砟軌道箱梁的模擬分析，得出以下結(jié)論：

（1）無砟軌道箱梁控制水化熱的施工方法、方式滿足規(guī)范的要求。

（2）在實際施工中，除了正確的施工方法外，可通過降低水泥的使用用量、添加適當?shù)目山档退療岬耐饧觿⒔档突炷寥肽囟纫约凹訌娤淞旱脑缙陴B(yǎng)護等措施，最大限度地防止箱梁早期開裂。