特大桥实体桥墩水化热温度控制有限元分析

姜 朔

(广州铁路(集团)公司动车基地工程建设指挥部，广东广州 511400)

广州动车段走行线特大桥，全长5 575m，共177个桥墩，全部为圆端形实心墩。全线桥墩最大高度27 m，混凝土方量最大达1 100m3。夏季施工时大体积混凝土墩身因为早期水化热引起混凝土内外温差过大容易产生较大温度应力，又由于早期混凝土强度较低，这样的温度应力可能会引起墩身混凝土开裂，故需要对水泥水化热形成的温度场及墩身应力场进行研究，以便在施工中采取有针对性的措施，防止温度裂缝出现，从而提高工程的可靠性和耐久性。本文选取具有代表性的75#墩进行有限元分析。

1 有限元模型参数

75#墩身高度为18.00m，长度4.75m，宽度2.00m。1 m3混凝土的配合比为:水泥 570.0 kg，砂2 133.0 kg，碎石3 328.5 kg，水489.5 kg。在实验室条件下测得的累计水化热为461 kJ/kg。

主要计算参数取值为:普通硅酸盐水泥水化热取为461 kJ/kg;混凝土的密度为2 550 kg/m3;混凝土导热系数为 240.32 kJ/(m·d·℃);混凝土比热 0.96 kJ/(kg·℃);水化系数 0.33;混凝土的入仓温度31.8℃;混凝土的膨胀系数1.0×10-5/℃。

根据施工方案，75#墩在8月份施工，取外界空气温度为28℃ ～38℃。混凝土分三次浇筑，每次浇筑6 m，每次浇筑周期为10 d，每0.5 d为一时间步，共60个时间步。由于混凝土弹性模量随时间变化，混凝土28 d的弹性模量取为3.0×104MPa。

在进行水化热温度场分析时，不考虑预应力筋孔道的影响［1-2］，首先，选取热单元Solid70进行瞬态热分析［3］，该单元是一个具有导热能力的三维单元，每个节点只有一个温度自由度;再将热分析得到的节点温度作为体荷载施加在结构单元上进行应力分析;然后将热单元Solid70转化为对应的结构单元Solid45，进行应力分析。

2 计算结果分析

2.1 第一次浇筑后墩身温度场和应力场

2.1.1 温度场

混凝土浇筑后，初始阶段墩身中心区域大部分温度较高，且温度分布均匀，随着表面散热和中心区域水化热反应的进行，中心区域温度变得不均匀［4］，且中心区域温度升高，4.5 d后达到最大值，10 d后温度趋向稳定，＜25℃。

在施工过程为了对墩身的温度场和应力场进行监测，采用埋入式传感器进行温度和应力的监测，考虑实际情况，只对第一次浇筑进行监测。计算温度与实测温度随时间的变化如图1所示。

从图1(a)可见，计算值与实测值吻合得较好，说明计算正确。墩身中心温度在混凝土浇筑后4.0 d，4.5 d左右达到最大值55.329℃，相应表面的温度为29.605℃，之后墩身中心温度逐渐下降，趋向稳定［5］。在计算和实测中发现，墩身中心温度出现最大值后下降得不是很快，这是由于该桥墩是实心桥墩，内部水化热反应进行的时间较长，这和一般的空心桥墩有区别。墩身外表面温度整体在下降，一是由于表面混凝土水化热反应的进行，二是由于在第6 d后模板拆除，同时受到外界气温的影响，外表面温度出现波动［6］。由图1(b)可见，墩身内外温差在混凝土浇筑后4 d达到最大值，到9 d时内外温差≤25℃。

图1 计算值与实测值对比

2.1.2 考虑墩身重力梁体的应力场分析

考虑墩身重力对梁体的应力场进行分析［7］，计算与测试的拉应力和压应力对比如图2所示。

图2 计算与测试的拉应力和压应力对比

1)第一段浇筑后，水化热作用进行得还不充分，墩身中间大部分区域处于受压状态，随着表面与中心温差的加大，表面出现拉应力，中心为压应力。这是由于内外温差的不断增大，导致两者的变形不一致，表面对中心有阻碍作用，因此在表面产生不断增大的拉应力，中心区域为压应力，在浇筑后第6 d出现最大拉应力，大小为2.65mPa，随后随着水化热作用的不断减小，内外温差的减小，表面拉应力和中心压应力减小。在这一过程中拉应力大于2.20mPa(C30混凝土的极限抗拉强度)，将出现裂缝，这与实际观测中在桥墩底部出现的裂缝相吻合。

2)由水化热温度变化曲线和应力变化曲线可以看出，温度变化曲线上升较陡，而下降却很缓慢。这是因为在早期混凝土温度急剧升高阶段，混凝土的弹性模量小，松弛系数也小，升高相同温度引起的压应力小，到了后期混凝土降温阶段，混凝土的弹性模量大，松弛系数也大，降低相同温度引起的拉应力要大。这样就会在混凝土内留下残余的拉应力。

2.2 第二次浇筑后墩身温度场和应力场

2.2.1 桥墩温度场

根据主墩施工方案可知，第2节段的混凝土是在第1节段浇筑完10.0 d后开始浇筑。在0.5 d由于受前一节段和外界的影响，表面温度分布不均匀，表面散热后，表面的温度逐渐趋向一致，在4.5 d后中心温度达到最大值，由于为实心桥墩，中心散热较慢，虽然在4.5 d后中心温度逐渐减小，但是减小的幅度较小。

2.2.2 桥墩应力场［8-9］

在浇筑0.5 d后，由于温度的影响，表面的拉应力并不均匀，随着外表面的散热，外面的拉应力逐渐趋向均匀，在6.5 d后拉应力达到最大值2.11 MPa，随后减小，内外应力趋向均匀，压应力范围扩大。在此过程中拉应力的最大值＜2.20mPa，所以没有开裂，这与实际观测情况相符。

2.3 第三次浇筑后墩身温度场和应力场

第3节段的混凝土是在第2节段浇筑完10.0 d后开始浇筑。桥墩温度场和应力场的变化趋势与第2阶段类似，所不同的是桥墩外表面的拉应力在4.5 d后达到最大值2.01 MPa，随后减小，拉应力的最大值＜2.20mPa，没有开裂。

3 水化热参数敏感性分析

3.1 混凝土浇筑温度的影响

混凝土的浇筑温度与水化热反应有密切关系［10］，降低浇筑温度将有助于改善桥墩水化热反应，本文选择浇筑温度在17.0℃，20.0℃，25.0℃和31.8℃，分析水化热反应，在不同浇筑温度下中心温度变化曲线和内外温差变化曲线如图3所示。

图3 不同浇筑温度的影响

由图3可知:浇筑温度对桥墩中心温度的影响很明显，随着浇筑温度的升高，桥墩中心温度升高，在不同浇筑温度下，桥墩中心温度出现最大值的时间不同，17.0℃的时候在7 d，20.0℃的时候在6.5 d，25.0℃的时候在6 d，31.8℃的时候在5.5 d。当浇筑温度在17℃时，内外温差都在15℃以下，能够满足温度控制的要求。

3.2 混凝土骨料岩性的影响

混凝土的导热性能与水化热反应也有较大的关系，从配料上看，石子所占的比例越大，对混凝土的导热性能影响越明显，其中石子有玄武岩、白云岩、石灰岩、石英岩、流纹岩和花岗岩。选取这几种材料分别计算不同的石子材料对桥墩水化热的影响，见图4。

图4 不同混凝土骨料岩性的影响

由图4可知:使用不同的岩石做混凝土骨料会使桥墩中心温度不同，其中使用玄武岩、流纹岩时桥墩中心的温度最高，使用石英岩桥墩中心的温度最低;使用不同的岩石，桥墩中心出现最高温度的时间不同，越早出现温度最大值，桥墩的中心温度越低;使用不同的岩石，桥墩内外温差不同，其中使用玄武岩，内外温差最大，使用石英岩，内外温差最小，所以在满足强度要求的条件下，尽量选用使桥墩水化热反应温度较低的岩石。

3.3 不同模板的影响

不同模板导致桥墩边界条件不同，亦会使空气对流系数不同，本文分别选取木模板和钢模板进行计算分析，见图5。

从图5可以看出，不同的模板对桥墩中心温度有影响，但是影响不大;不同的模板对桥墩内外温差影响较大，其中使用木模板时，内外温差相对较小，这是由于钢模板的空气对流系数大，桥墩表面散热较快，导致内外温差较大。

图5 不同模板的影响

4 结论

本文应用ANSYS有限元软件，建立桥墩水化热分析模型，得出了温度场和应力场的变化规律，并对不同浇筑温度、不同混凝土骨料岩性和不同模板的影响等进行参数敏感性分析。研究结果表明:随着浇筑温度的降低，桥墩水化热反应最高温度降低;在满足强度要求的前提下，选用石英岩做混凝土骨料能使桥墩水化热温度最低;选用木模板对减小桥墩内外温差有益。

［1］朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制［M］.北京:中国电力出版社，1998.

［2］崔容义.大跨度桥梁边墩水化热温度场分析与合理温控措施研究［J］.铁道建筑，2011(7):36-38.

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［7］祝效华，余志详.ANSYS高级工程有限元分析范例精选［M］.北京:电子工业出版社，2004.

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［9］葛俊颖，王立友.基于ANSYS的桥梁结构分析［M］.北京:中国铁道出版社，2007.

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