大跨徑混凝土箱梁橋0號(hào)箱梁水化熱溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

大跨徑混凝土箱梁橋0號(hào)箱梁水化熱溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

0大體積混凝土箱梁的設(shè)計(jì)國(guó)際混凝土協(xié)會(huì)（jtj041-2000）規(guī)定，當(dāng)混凝土的最小橫截面積大于0.6m，尤其是水泥用量大于400kgm時(shí)，應(yīng)考慮水化熱慢水泥或采取其他加熱和解熱措施。根據(jù)jtj041-2000號(hào)《公路橋條路橋涵設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》（jtj041-2000），現(xiàn)場(chǎng)攪拌的最小橫截面積為13m，應(yīng)采取措施防止水化熱引起的高差大于25，稱為大型體積混凝土。近年來,隨著預(yù)應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展,采用懸臂現(xiàn)澆施工法修建的混凝土箱梁橋的跨徑和截面尺寸越來越大,如蘇通大橋輔助航道橋0號(hào)箱的底板已達(dá)1.7m厚,可以看出,絕大部分大跨徑或特大跨徑的混凝土箱梁橋的0號(hào)箱梁具備了上述大體積混凝土結(jié)構(gòu)的特征,但0號(hào)箱梁配筋繁多,在構(gòu)造上又不允許像大體積大壩或承臺(tái)那樣使用冷卻水進(jìn)行降溫,內(nèi)部熱量不容易散失,從而產(chǎn)生較大的溫差應(yīng)力,引起梁體表面開裂,對(duì)結(jié)構(gòu)的后期施工和運(yùn)營(yíng)帶來隱患。本文根據(jù)0號(hào)箱梁的自身特點(diǎn),介紹分析了箱梁水化熱效應(yīng)數(shù)值模擬過程中參數(shù)的取值以及邊界條件的確定方法,最后以蘇通大橋輔助航道橋的0號(hào)箱梁為例,對(duì)其混凝土澆注水化熱溫度場(chǎng)的分布進(jìn)行了數(shù)值模擬與研究。1計(jì)算溫度場(chǎng)的原理1.1混凝土熱傳導(dǎo)方程混凝土澆注后,在水泥水化熱的作用下,可以看作具有內(nèi)部熱源強(qiáng)度、瞬態(tài)溫度場(chǎng)的連續(xù)均勻介質(zhì)。假設(shè)混凝土連續(xù)、均勻、各向同性,則其澆注后,熱傳導(dǎo)方程可表示為:式中,α為導(dǎo)熱系數(shù);T為混凝土的瞬間溫度;Q為熱源密度;c為混凝土比熱;ρ為混凝土密度。由于水化熱作用,在絕熱條件下,混凝土的溫度上升速度為:式中,θ為混凝土的絕熱溫升;W為水泥用量;q為單位質(zhì)量水泥在單位時(shí)間內(nèi)放出的熱量。故熱傳導(dǎo)方程可改寫為:式中,熱源強(qiáng)度q可以由相關(guān)累積水化熱公式求得。1.2表面邊界條件熱傳導(dǎo)方程建立了物體的溫度與時(shí)間、空間的一半關(guān)系。為了確定所需要的溫度場(chǎng),還須知道初始條件和邊界條件。邊界條件為混凝土表面與周圍介質(zhì)之間的相互作用規(guī)律。通常有4類邊界條件,對(duì)于本文,由于外部和內(nèi)部均為空氣對(duì)流熱交換邊界,均屬于第3內(nèi)邊界條件,即式中,β為表面放熱系數(shù)。第3類邊界條件表示了固體與流體(如空氣)接觸時(shí)的傳熱條件。2計(jì)算參數(shù)的值和邊界條件的確定2.1混凝土的發(fā)熱規(guī)律在混凝土結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)計(jì)算中,基本使用的是混凝土絕熱溫升θ。絕熱溫升可以根據(jù)水化熱以及混凝土的比熱、容重和水泥用量來計(jì)算得出為1.518105kJ/m3,水化熱公式采用ChristianCristofari等人依據(jù)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原理提出的如式(5)所示的函數(shù)來描述混凝土累積發(fā)熱規(guī)律:式中,τ為齡期;T為混凝土澆注時(shí)的初始溫度。2.2比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)本文不考慮隨水化熱發(fā)展而變化的導(dǎo)熱系數(shù),根據(jù)導(dǎo)溫系數(shù)定義有根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用混凝土各組成成分的百分比使用文獻(xiàn)中所述的方法估算出混凝土的比熱容c為0.98kJ/(kg·℃),導(dǎo)熱系數(shù)λ為10.1kJ/(m·h·℃)。2.3邊境條件在箱梁澆注過程中,邊界情況分為混凝土直接與空氣接觸和混凝土表面附有模板或保溫層2種,計(jì)算時(shí)需要確定結(jié)構(gòu)表面的換熱系數(shù)和大氣溫度。(1)平均風(fēng)速日變化本文將箱梁內(nèi)外表面的邊界情況分為4類,即無木模板外表面、有木模板外表面、有開口內(nèi)腔內(nèi)表面和無開口內(nèi)腔內(nèi)表面。風(fēng)速的變化是隨機(jī)的,但又有一定的規(guī)律性,圖1給出了蘇通大橋橋面處2008年2010年1月、11月和12月平均風(fēng)速日變化曲線,圖1中可見,1月、11月和12月的平均風(fēng)速日變化曲線非常相似,為了取值和計(jì)算方便,箱梁外表面對(duì)應(yīng)風(fēng)速近似的取為1月、11月和12月的日平均值,則無木模板外表面、有木模板外表面對(duì)應(yīng)的風(fēng)速可取為5.7m/s,有開口內(nèi)腔內(nèi)表面和無開口內(nèi)腔內(nèi)表面分別近似的取為1m/s和0m/s。對(duì)于混凝土表面與空氣的對(duì)流換熱系數(shù),近些年來,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)此做了研究,在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、試驗(yàn)實(shí)測(cè)或理論推演的基礎(chǔ)上,給出各種不同的對(duì)流換熱系數(shù)取值的公式,文獻(xiàn)對(duì)其進(jìn)行了分析整理,擬合出了平均意義上的混凝土結(jié)構(gòu)表面對(duì)流換熱系數(shù)公式:式中,v為風(fēng)速。當(dāng)混凝土表面附有木模板時(shí),文獻(xiàn)給出了計(jì)入風(fēng)速影響的換熱系數(shù),如式(8)所示。式中,v為風(fēng)速。(2)大氣溫度日變化由于缺少現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),故使用文獻(xiàn)提出的通用型氣溫時(shí)程模擬氣溫的日變化,經(jīng)地方氣象資料可查詢到橋梁所在位置同一時(shí)間的歷史日平均最高溫度和日平均最低溫度,日平均溫度取為日平均最高溫度和日平均最低溫度的均值,則兩次澆注后的大氣溫度日變化時(shí)程曲線如圖2所示。3上下行分幅布置蘇通大橋位于南通市和蘇州(常熟)市之間,西距江陰大橋約80km,東距長(zhǎng)江入海口約110km,全長(zhǎng)8146m,由北引橋、主航道橋(主橋)、中引橋、專用航道橋(輔橋,如圖3所示)和南引橋組成。其中蘇通大橋輔航道橋跨徑布置為140+268+140=548m,上部結(jié)構(gòu)上下行分幅布置,主墩頂部?jī)煞鶚蛳淞河脵M隔梁連接,兩主墩與主梁固結(jié),兩過渡墩頂設(shè)置縱橋向滑動(dòng)支座。橋面鋪裝層為11cm厚的瀝青混凝土,全橋采用單箱單室直腹板混凝土結(jié)構(gòu),箱梁頂寬16.40m,底寬7.5m。根部梁高15m,高跨比為1/17.9,跨中梁高4.5m,高跨比為1/60,梁高采用1.6次拋物線變化;頂板厚0.28m,底板厚度采用1.7(根部)0.32m(跨中)漸變,腹板厚度采用0.7m0.6m0.5m三級(jí)變化。主梁采用60號(hào)高性能混凝土,在頂?shù)装蹇v橋向、頂板橫向、腹板豎向布置了預(yù)應(yīng)力索,梁體分兩次澆注完成,第1次澆注8m,第2次澆注8m,澆注時(shí)間分別為2005年11月24日和2006年1月4日,溫度測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。3.1梁的建模和分析過程蘇通大橋輔橋墩頂0號(hào)箱梁長(zhǎng)12m,高15m,頂板寬16.4m,底板寬7.5m,1號(hào)箱梁梁長(zhǎng)3m,與2號(hào)箱梁交接處梁高14.6m,底板厚1.648m,腹板厚0.7m。0號(hào)箱梁和1號(hào)箱梁同時(shí)澆注,分兩次澆注完成,在建模時(shí)將其分為2部分,如圖5所示。選用三維溫度單元(solid70)進(jìn)行瞬態(tài)熱分析,進(jìn)行溫度分析。為簡(jiǎn)化分析過程和突出主要矛盾,本文分析作了幾點(diǎn)簡(jiǎn)化:混凝土一次性入模,忽略澆注經(jīng)歷的時(shí)間;僅考慮外界氣溫變化的影響,不考慮太陽輻射的影響。3.2混凝土水化熱性能圖6為底板、腹板、梗腋、頂板和翼板處中心測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的溫度時(shí)程圖。從圖6中可以看出,底板處的18號(hào)測(cè)點(diǎn)的理論計(jì)算溫度與實(shí)測(cè)溫度吻合最好,梗腋處的5號(hào)測(cè)點(diǎn)吻合也較好,最大誤差為2.6℃,腹板處的2號(hào)點(diǎn)和頂板處的8號(hào)點(diǎn)誤差相對(duì)較大,最大為3.1℃,翼板處的4號(hào)測(cè)點(diǎn)誤差最大,為4.2℃,分析誤差產(chǎn)生的主要原因?yàn)?實(shí)際第1次澆注高度可能高于預(yù)定的8m,增加了2號(hào)測(cè)點(diǎn)到混凝土上表面的距離,從而使理論計(jì)算值偏小;8號(hào)測(cè)點(diǎn)位于頂板,距離上表面較近,4號(hào)測(cè)點(diǎn)處翼板最薄,距離頂板上表面也最近,二者均受邊界條件影響比較大,計(jì)算中忽略的太陽輻射影響和采用的公式模擬的日氣溫變化可能與實(shí)際大氣溫度有較大差別。因此,所建立的有限元模型可以很好的模擬混凝土箱梁澆注后的溫度場(chǎng),為溫度控制提供依據(jù)。圖7與圖8分別給出了第1次澆注與第2次澆注溫度最大時(shí)刻的溫度場(chǎng)云圖,結(jié)合圖6可以看出,底板、腹板和頂板厚度不一樣,各自達(dá)到最大溫度值的大小和時(shí)間也不一樣,厚度大的地方可達(dá)到的最大溫度值大于厚度薄的地方,但時(shí)間上比其要滯后,從圖6中可以看出,厚度不同地方達(dá)到最大值的時(shí)間為2044h,由圖中可見,混凝土硬化早期,底板、腹板和頂板的溫度隨水泥水化的發(fā)展,經(jīng)歷了較快的溫升階段,到達(dá)最值后,進(jìn)入緩慢的溫降階段,最大值出現(xiàn)的越早,溫降的速率越大,最大值出現(xiàn)的越遲,溫降的速率越小;底板、腹板、梗腋和頂板處測(cè)點(diǎn)最高溫度分別可達(dá)64.7、49.8、55.6℃和38.5℃,即最大溫升分別可達(dá)44.7、29.8、35.6℃和18.5℃;翼板由于很薄,其最高溫度只有28℃,溫升8℃可以忽略其水化熱影響。由圖8可以看出,在進(jìn)行第2次混凝土澆注時(shí),先澆注混凝土的結(jié)合面附近存在溫度倒灌現(xiàn)象,圖9為2號(hào)測(cè)點(diǎn)與結(jié)合面處第2次澆注時(shí)的混凝土溫度時(shí)程圖,第1次澆注的混凝土受第2次澆注混凝土的影響,出現(xiàn)再次升溫現(xiàn)象,結(jié)合面出溫度在前24h內(nèi)迅速上升了24.3℃,結(jié)合面以下30cm處的2號(hào)測(cè)點(diǎn)在前48h內(nèi)上升了10.7℃,圖10和圖11分別為結(jié)合面處混凝土與未受溫度倒灌影響處混凝土的溫差時(shí)程圖和結(jié)合面處往下2.5m范圍內(nèi)的溫度梯度分布圖,圖中可見結(jié)合面處溫度倒灌影響深度可達(dá)約1.5m,1.5m范圍內(nèi)在28h時(shí)溫度梯度達(dá)到最大值25.8℃,故在水化熱溫度控制時(shí),要注意新舊混凝土結(jié)合面處的溫度控制問題。圖12為各部位混凝土最大內(nèi)外溫差的時(shí)程圖,圖中可見箱梁混凝土澆注最大內(nèi)外溫差出現(xiàn)在底板和梗腋部位,大約為33℃,大約在70h后出現(xiàn),腹板最大內(nèi)外溫差可達(dá)21℃,大約在48h后出現(xiàn),頂板最大內(nèi)外溫差出現(xiàn)最早,在24h時(shí)可達(dá)16.8℃。從數(shù)據(jù)可以分析出,混凝土澆注最大內(nèi)外溫差與構(gòu)件厚度和表面邊界情況有關(guān),澆注混凝土厚度越大,表面散熱條件越好,可達(dá)到的最大內(nèi)外溫差也就越大,故在澆注時(shí)可以選用保溫性能較好的模板以減小澆注期間混凝土最大內(nèi)外溫差。4數(shù)值結(jié)果分析大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋0號(hào)塊體積大、強(qiáng)度高、配筋復(fù)雜,在構(gòu)造上又不允許像大體積大壩或承臺(tái)那樣使用冷卻水進(jìn)行降溫,內(nèi)部熱量不容易散失,引起較大內(nèi)外溫差應(yīng)力。本文詳細(xì)的介紹了計(jì)算參數(shù)的選取方法,并通過對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與有限元分析,對(duì)箱梁澆注后的溫度場(chǎng)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:(1)合理選取計(jì)算參數(shù),利用ANSYS建模,可以很好的模擬混凝土箱梁澆注后的溫度場(chǎng),為溫度控制提供依據(jù)。(2)在構(gòu)件尺寸較厚的結(jié)構(gòu)內(nèi)部,內(nèi)部溫度受邊界條件影響較小,絕熱溫升較大,出現(xiàn)時(shí)間較晚;厚度薄的構(gòu)件,中心位置離表面較近,內(nèi)部