江汉六桥C50预应力自锚跨箱梁温度场计算及温控措施

赵日煦，宋正林，杨文，庞二波

（中建商品混凝土有限公司，湖北 武汉 430074）

江汉六桥C50预应力自锚跨箱梁温度场计算及温控措施

赵日煦，宋正林，杨文，庞二波

（中建商品混凝土有限公司，湖北 武汉 430074）

结合武汉市第一座自锚跨斜拉桥工程现浇预应力混凝土自锚跨箱梁的结构特点，采用 ANSYS 对自锚跨箱梁混凝土结构进行了温度场和应力场数值计算，并根据计算结果，通过对结构采取埋设循环冷却水管、覆盖保温材料等温控措施，降低了结构出现温度裂缝的风险，结构实际浇筑效果良好，没有出现明显裂缝，提高了结构的整体性和耐久性。

温度应力场；温度应力；温控措施；箱梁

预应力混凝土箱梁是桥梁的主要受力构件，其结构尺寸随着桥梁工程的发展而逐渐变大，属于大体积混凝土结构，在混凝土温度的作用下，容易产生温度裂缝，使结构产生损伤破坏，直接威胁到整个桥梁的使用功能和服役寿命[1-3]。

武汉市江汉六桥是武汉市第六座跨汉江通道，位于江汉五桥（长丰桥）和江汉二桥之间，工程起于古田二路与解放大道交叉口以北，终点接郭琴路，主线桥梁全长 3050.1 米，主桥采用 48＋57＋110＋252＋110＋57＋48＝682 米的 7 跨自锚式悬索桥，跨江主梁采用钢箱梁和预制混凝土桥面板结构，在主桥箱梁钢混结合段两侧设有现浇预应力混凝土自锚跨箱梁结构，南北锚跨箱梁各段全长均为 48＋57＋16.5＝121.5 米，桥面宽 44 米，最大厚度达 6.6 米，钢筋最小净距为 4.2cm，混凝土设计强度等级均为 C50，单次浇筑方量3500 方以上。根据该工程结构特点和施工安排，要求混凝土7d 抗压强度和弹性模量不低于设计值的 90%，因此，为了防止混凝土温度裂缝的产生，保证结构整体性、耐久性，必须对大体积混凝土进行温度控制，降低温度应力对混凝土产生的损害。

1 混凝土配合比

根据 JTG/T F50—2011《公路桥涵施工技术规范》中的相关规定，结合既往桥梁工程实际经验[2-4]，采用正交设计法进行配合比设计，并经过多次试验验证，确定混凝土配合比见表1，混凝土性能见表2。

表1 自锚跨箱梁 C50 混凝土配合比

表2 自锚跨箱梁 C50 混凝土配合比物理力学性能

2 温度应力场数值分析

为了评价自锚跨 C50 大体积混凝土的温度和应力随着养护龄期的发展规律，采用 ANSYS 对其进行温度场和应力场数值分析。

混凝土箱梁水化热温度场实质上是一个三维非稳态温度场问题，采用三维有限元实体模型进行模拟计算，符合实际[5-6]。混凝土箱梁边界存在空气和混凝土的热对流，属于热分析中的第三类边界条件。混凝土箱梁采用钢模板，由于其导热性能良好，可忽略其对混凝土箱梁表面与大气之间热交换的影响。对流边界条件可作为面荷载施加于箱梁外表面和内表面，具体加载形式为气温日变化余弦公式（结合实测环境温度），并考虑混凝土表面放热系数。分析模型和单元划分如图1 所示，其中，y 轴方向为竖向，x 轴为顺桥向，z 轴为横桥向。

图1 自锚跨分析模型和三维网络划分

2.1 温度场数值分析

经过采用 ANSYS 数值模拟计算，自锚跨 C50 大体积混凝土 3d 龄期的温度云图分布如图2、图3 所示，受篇幅所限，故只列出整体温度云图和靠近中心位置 5-5 剖面的温度云图，自锚跨中心点与上、下表面温度等关键点温度时程发展曲线如图4 所示。

图2 3d 龄期整体温度分布云图

图3 3d 龄期 5-5 剖切面温度分布云图

图4 关键节点温度发展规律（横坐标为时间/h，纵坐标为温度/℃）

图2 和图3 的温度场分布图中表明，自锚跨箱梁结构中心及剖切面中带挖空部位的温度最高。由于散热边界的存在，自锚跨箱梁内部各位置处的温度达到最高值的时间存在一定差异，其中心点温度最高值出现在龄期为 3～5d 之间，边沿温度最高值出现时间较中心点略早，约出现在 2d。自锚跨上表面温度低于下表面温度，这是因为上表面散热比下表面散热速率快。

图4 的关键节点温度发展规律表明，自锚跨箱梁结构上表面温度在浇筑 1d 后，其温度与中心点温度之差已经超过25℃，下表面在浇筑 2d 后，其温度与中心点温度之差已超过25℃，超出《大体积混凝土施工规范》标准的要求。必须采取措施降低中心温度或在保湿养护时候，采取麻袋覆盖洒水保湿等措施，保湿、控温应同步控制。

2.2 应力场数值分析

采用 ANSYS 对自锚跨 C50 大体积混凝土进行温度应力计算，计算参数见表3，根据 GB 50496—2009，混凝土弹性模量的时程变化公式采用式 (1) 进行计算[7]。

表3 自锚跨 C50 大体积混凝土应力场计算边界参数

式中：Et——龄期为t时混凝土的弹性模量，Gpa；

t——为龄期，d。

经过采用 ANSYS 数值模拟计算，自锚跨 C50 大体积混凝土 3d 龄期的第一主应力分布云图分布如图5、图6 所示，受篇幅所限，故只列出整体第一主应力分布云图和靠近中心位置 5-5 剖面的第一主应力分布云图。结构关键点第一主应力时程发展曲线如图7 所示，由于采用智能网格划分，无法提取模型的正中心节点，因此，曲线图上的最大压应力与云图上的最大压应力有出入，三条曲线从上到下依次为上表面、靠近中心点与上表面之间、下表面。

图5 和图6 的温度场分布图及图7 关键节点应力发展规律表明：自锚跨箱梁结构的上下表面的拉应力均较大，具有较高的开裂风险，且下表面的开裂风险高于上表面；因此对上、下表面须同时采取有效的养护措施。结构拉应力 3d 龄期较小，7d、14d 龄期显著增大，随着降温段的出现，结构内外降温速率不一致，温度差产生的拉应力增大明显，因此，在结构降温段应严格注意养护。

图5 3d 龄期第一主应力整体云图

图6 3d 龄期 5-5 剖切面第一主应力云图

图7 关键节点应力发展规律（横坐标为时间/h，纵坐标为应力/MPa）

根据《大体积混凝土施工规范》，C50 混凝土的 28d 抗拉强度标准值为 2.64MPa，按照 GB 50496—2009《大体积混凝土施工规范》附录公式（B.7-1）计算可知在 3d 龄期，混凝土的抗拉强度为 1.57MPa，但根据图7 有限元计算结果显示，3d 龄期的拉应力已经达到 2MPa 以上，已经超出混凝土的抗拉强度，必须早期就开展养护措施。

3 温控措施和实际效果

根据采用 ANSYS 进行的温度应力场数值计算，可以发现混凝土结构存在较高的温度裂缝风险，因此，根据计算结果，在箱梁斜腹板和实心段处埋设了循环冷却水管，在混凝土浇筑完毕之后，通入冷却水从内部对结构进行降低混凝土的温度；在施工浇筑过程中，随浇筑随覆盖土工布和塑料薄膜，从外部对结构进行保温和保湿养护。在自锚跨箱梁的斜腹板和实心段埋设测温点，根据测温结果对混凝土进行监控，并反馈养护措施。

在整个江汉六桥项目 C50 自锚跨箱梁混凝土生产浇筑过程中，严格按照既定施工方案对混凝土浇筑工程和质量进行控制。对拆模后的箱梁结构进行观察，混凝土结构整体性良好，无明显裂缝。表明，虽然混凝土本身具有较高的温度裂缝风险，但是可以通过采取一定的技术手段，从结构内部和外部同时进行控制，能够将风险降低，提高混凝土结构的整体性和耐久性，满足结构设计需要。

4 结论

（1）通过 ANSYS 数值分析，混凝土结构中心点温度在浇筑后 3～5 天时间内达到最高值，内外温差和结构表面温度超过了规范要求，应进行降温保湿养护。

（2）通过 ANSYS 数值分析，在 3d 龄期混凝土结构的抗拉强度低于收缩应力，具有较高的开裂风险，应在早龄期及早采取相应的养护措施。

（3）根据 ANSYS 的数值分析结果，采取了埋设循环冷却水管、覆盖土工布和塑料薄膜等降温、保温保湿措施，降低了混凝土的开裂风险，混凝土实际浇筑效果良好，结构无明显裂缝。

（4）采用 ANSYS 对混凝土结构进行温度应力场进行数值分析，对施工养护具有较高的指导意义。

[1] 秦鸿根，孙伟，张亚梅．苏通大桥不同结构部位高性能混凝土配合比与应用研究[J]．商品混凝土，2010(10): 55-59．

[2] 张剑锋，王云金，唐凯，等．九江长江公路大桥超宽箱梁C55粉煤灰高性能混凝土配合比设计[J]．中国港湾建设，2012(6): 53-55．

[3] 李北星，天晓彬，周明凯，等．箱梁C55高性能混凝土的抗裂性能研究[J]．世界桥梁，2010(3): 40-41．

[4] 马保国，何永佳，吕林女．高性能混凝土配合比设计[J]．武汉理工大学学报，2002(24): 28-31．

[5] 庞二波，王艳，罗作球．天津高银117大厦底板温度场数值模拟与现场监测[J]．施工技术，2003(18): 28-30．

[6] 王鹏，叶仁亦，翁艾平．基于 ANSYS 下混凝土箱梁水化热温度场的有限元计算[J]．铁道建筑，2008(2):10-11．

[7] GB 50496—2009．大体积混凝土施工规范[S]．

［通讯地址］湖北省武汉市华光大道 18 号高科大厦 16 楼中建商品混凝土有限公司华中分公司技术部（430074）

The numerical analysis of temperature and stress fields and control measures for C50 prestressed box girder in Han Jiang 6th Bridge

Zhao Rixu, Song Zhenglin,Yang Wen, Pang Erbo
(China Construction Ready-mixed Concrete Co., Ltd., Wuhan Hubei 430074, China)

According to the structural characteristics of the prestressed box girder in wuhan first self-anchored cable-stayed prestressed concrete bridge, numerical analysis of temperature and stress fields in concrete construction has been carried out by means of ANSYS, and based on the results, the temperature control measures such as circulating cooling water pipe, covering insulation materials, which can reduce the risk of temperature cracks in construction, have been applied to the construction. And the actual result show that the obvious cracks in box girder is rarely, the globality and durability of box girder is well.

temperature and stress fields; thermal stresses; temperature control measures; box girder

宋正林（1985—），中建商品混凝土有限公司华中分公司，硕士研究生。