大跨度钢管混凝土拱桥水化热的试验与数值分析

高卫卫（中铁十二局集团有限公司，山西 太原　030022）

大跨度钢管混凝土拱桥水化热的试验与数值分析

高卫卫
（中铁十二局集团有限公司，山西 太原030022）

随着钢管混凝土拱桥跨径的增大，拱肋直径势必相应增加，混凝土水化热问题也随之突显。本文基于某大跨度钢管混凝土拱桥的水化热试验，结合实测和有限元计算数据对水化热产生的拱肋温度场进行了分析。试验及有限元计算结果表明，钢管混凝土拱桥水化热导致拱肋截面最高温度达74.1℃，最大温差可达30℃。在混凝土浇注完7 d后，钢管混凝土拱肋的水化热的影响基本消失。

钢管混凝土拱桥；水化热；温度场；现场测试；有限元法

随着钢管混凝土拱桥跨径的增大，拱肋内混凝土尺寸相应增加，往往使其截面直径大于1 m，符合《大体积混凝土施工规范》（GB 50496—2009）［1］对大体积混凝土的定义。但与此同时，受制于设计条件，钢管内混凝土很难像常规的大体积混凝土（如承台、桥墩等）一样在内部布设冷却水管，因此大跨度钢管混凝土拱桥水化热问题比较突出。另外钢管混凝土拱桥的水化热与其成桥后的受力状态有直接联系［2］。因此有必要对大跨度钢管混凝土拱桥的水化热进行研究。陈宝春等［2］使用有限差分法对钢管混凝土水化热温度场求解，并在一个钢管混凝土拱桥构件上进行了水化热试验加以验证。林春娇等［3］测定了一个10 m跨径单管拱肋模型的水化热过程温度变化，通过实测数据对水化热进行了分析。孙国富［4］在一座实桥上埋设了3个测温元件，进行了基于实桥的水化热试验。宣继明等［5］使用有限元软件LUCAS对拱肋水化热及相应温度自应力进行了计算。水化热试验可以直接测定拱肋的水化热温度场情况，但往往受到成本限制，数据有限；有限元计算可以全面地考察水化热温度场情况，但需通过试验来证实。目前相关的研究多集中在构件或小直径钢管混凝土拱桥上，不能真实地反应大跨度钢管混凝土拱桥的水化热规律。

本文以一铁路钢管混凝土拱桥为背景，将水化热试验和有限元计算结合，进行大跨度钢管混凝土拱桥的水化热研究。

1　工程背景

一铁路上承式钢管混凝土拱桥，主跨360 m，2片桁架拱肋向中间倾斜8°，通过相贯线焊接形式的K形钢管连接。桁架拱肋由上、下2片哑铃截面组成，哑铃截面单根钢管外径为1.5 m，钢管壁厚30～35 mm。拱顶拱肋截面如图1所示。拱肋钢结构采用Q370qD，拱肋内部填充C50微膨胀混凝土，每1 m3混凝土原材料用量见表1。拱肋内部混凝土单根管浇注，两岸对称同步。管内混凝土从拱脚至拱顶连续浇注，保证在浇注完成时拱脚混凝土尚未初凝。首先进行1号管的浇注，管内混凝土达到90%的设计强度（5 d）后进行另外一根钢管混凝土的浇注。

图1　拱肋截面（单位：mm）

表1　每1 m2混凝土原材料用量　kg/m3

2　水化热试验

2.1试验概况

测温元件布置于图1中1号管拱顶截面，主要基于以下考虑：拱桥的拱顶是关键部位，具有代表性；混凝土在拱顶处流速慢，对测温传感器无损害；1号管首先进行混凝土浇注，所测数据对以后各管的混凝土浇注可以提供参考。拱肋内部测温元件采用IFT-36A型混凝土温度传感器，量程为 -20～100℃，精度为0.1℃，大气温度采用水银温度计进行测量。

选取1号管的拱顶截面布置测温元件，计32个。定位钢筋与拱肋钢管固接，传感器的导线由拱顶排浆孔引出。试验测点设计布置及现场实际布置情况如图2、图3所示。

图2　测点布置（单位：mm）

图3　测点现场

根据工程经验以及理论分析，钢管内混凝土浇注完成后，拱肋混凝土温度会在约12 h后开始上升，而在第3 d左右水化热大部分释放完成，温度随之稳定下降。因此于浇注完成 12 h后开始记录。其中第12 h至第29 h，每1 h记录1次；第35 h至第44 h，每2 h记录1次，此时拱肋截面温度已稳定下降，在浇注完成60 h后进行最后1次记录。在3 d的试验过程中，天气阴，无直接日照，日均气温 19.0℃，风力在1 m/s以下。

2.2实测结果

本次试验布置了较多的温度测点，但对于无日照作用下的有内热源瞬态温度场来说，必然为轴对称分布，仅需列出有代表性的几个关键点的实测数据，即可达到描述钢管混凝土拱肋温度场并验证水化热有限元模型分析正确性的目的。选取中心点 a、1/2半径点b、外侧点c作为主要的数据采集点，并用相应的b'，c'点来校对。各点位置参见图2。测点温度曲线见图4。

图4　测点温度曲线

由图4可以看出：

1）钢管混凝土拱桥管内混凝土初凝后会有很强的水化放热现象。中心处测点 a在浇筑完成27 h后达到最高值74.1℃，其他测点也几乎同时达到最大值。随后各测点温度相对平缓下降。

2）测点b和b'，c和c'温度变化规律相同，后期数值也基本相等，符合温度场轴对称分布的理论预期。

3）b，b'测点在开始时有15℃温差，原因在于混凝土首先到达b'点，在此处更早释放水化热；而当全部混凝土均初凝开始后，b，b'测点温度迅速接近一致。c，c'测点也有类似规律。

4）各测点之间实测的最大温差可达30℃。

3　有限元计算

3.1有限元模型

有限元计算与试验实测相比，其优势在于能够得到任意时刻、截面任意位置的水化热温度值，可以更全面地对钢管混凝土拱桥水化热温度场进行分析。选取试验截面，基于ANSYS软件进行水化热有限元数值模拟。模拟求解的关键在于对材料热工参数、水化热内热源、边界与初始条件的确定［6］。

钢材的热工参数参照文献［7］进行取值。混凝土的热工参数取值与其各组成材料的热工性能相关［8］，根据表1的材料组成进行计算。混凝土与钢材的热工参数如表2所示。

表2　钢、混凝土热工参数

常用的混凝土水化热内热源模型有指数式、复合指数式和双曲线式［9］，因所用材料配比类似，水化热模型参考文献［4］，采用双曲线式水化放热模型。根据实验室测定，表 1中水泥水化热为 364.7 kJ/kg （3 d），并通过表1配合比计算即可得到本文所用浇注混凝土的水化热放热曲线。

按水化热试验时的实际情况进行边界条件施加。初始温度与混凝土入模温度一致，取为20℃。

模型使用八节点四边形单元 Plane77进行模拟，钢材与混凝土单元结合处共用节点以满足界面连续的要求。模拟截面合计380个单元，1 181个节点。计算以每1 h为一个荷载步，连续分析10 d。有限元模型如图5所示。

图5　有限元模型

3.2计算结果

为考察有限元结果计算的正确性，选取测点a，b，c的温度计算值与实测值进行对比，如图6所示。

由图6可以看出：各测点的温度计算值与实测值变化趋势完全一致，计算值与实测值相当接近，最大仅有约3℃的温差。这说明本文计算模型所选取的材料热工参数、水化热双曲线放热模型、边界与初始条件适用于大跨钢管混凝土拱桥拱肋混凝土的水化热计算。有限元方法可以较好地模拟钢管混凝土拱肋的水化热温度场。

图6　测点a，b，c的温度计算值与实测值

为考察拱肋截面不同时刻温度分布，选取典型的1-5（见图5）点，分别距圆心0，0.360，0.648，0.720（混凝土边缘），0.750 m（钢管外表面）。1～5点在浇筑完成10 d内的温度变化曲线见图7。此外，计算得到浇注完成10 h，25 h，30 h，3 d，7 d后的水化热温度场，其中10 h，30 h及7 d的温度场云图如图8所示，可以直观地看出拱顶截面浇注完成后各时刻的温度场分布情况。

图7　典型点位的温度变化曲线

图7、图8的计算结果表明：

1）混凝土初凝开始后，水化放热剧烈，截面核心温度迅速升至最高，然后相对缓慢下降，最后将趋于环境温度；

图8　拱顶各时刻温度场云图（单位：℃）

2）截面最大温差随着中心处混凝土的温度升高而变大，在浇筑完成后30 h左右到达最大值30.2℃，然后逐渐减小，最后整个截面各处温度基本相同；

3）混凝土内部温度曲线后期趋于一条水平线，相对恒定，外侧混凝土温度曲线后期呈周期性变化，说明其易受到外界环境温度的影响；

4）在浇筑完成7 d后拱肋截面的温度整体上接近于气温，可以认为温度水化热的影响基本消失。

4　结论

1）有限元法可对钢管混凝土拱桥拱肋内混凝土水化热现象进行准确模拟，由此可得到混凝土浇注完成后各个时刻的拱肋截面温度场。

2）大跨度钢管混凝土拱肋水化热现象突出，以试验桥为例，其截面最大温度74.1℃，计算得到截面最大温差达30.2℃，需要引起重视。

3）大跨度钢管混凝土拱肋截面的水化热温度场呈轴对称分布，其核心处混凝土温度在水化热后期保持稳定，而外侧混凝土温度则易受外界环境温度影响。

4）水化热对钢管混凝土拱桥拱肋的影响可以认为在7 d后基本消失。

［1］中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50496—2009大体积混凝土施工规范［S］.北京：中国计划出版社，2009.

［2］陈宝春，刘振宇.钢管混凝土拱桥温度问题研究综述［J］.福州大学学报（自然科学版），2009（3）：412-418.

［3］林春姣，郑皆连，黄海东.钢管混凝土拱计算合龙温度试验研究［J］.广西大学学报（自然科学版），2010，35（4）：601-609.

［4］孙国富.大跨度钢管混凝土拱桥日照温度效应理论及应用研究［D］.济南：山东大学，2010.

［5］宣纪明，向华伟，芦可琪.钢管混凝土拱桥拱肋水化热温度场和温度应力分析［J］.桥梁建设，2010（3）：29-32，46.

［6］杨世铭，陶文栓.传热学［M］.4版.北京：高等教育出版社，2006.

［7］赵常煜.大体积承台混凝土水化热温度有限元分析与控制［J］.铁道建筑，2012（9）：47-49.

［8］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，1999.

［9］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.

（责任审编孟庆伶）

Hydration Heat Test and Numerical Analysis for Long Span Concrete-filled Steel Tube Arch Bridge

GAO Weiwei
（China Railway 12th Bureau Group Co.，Ltd.，Taiyuan Shanxi 030022，China）

W ith the increase of bridge span，the diameter of the concrete-filled steel tube（CFST）arch rib increases，causing severe hydration heat.T he hydration heat test was conducted on a long span CFST arch bridge in this paper.Finite element method（FEM）was used to calculate the temperature field of arch rib，and the calculated results and the test results were used for analyzing the hydration heat of CFST arch bridge.T he results show that the temperature caused by hydration heat can be up to 74.1℃and temperature difference can be up to 30℃.T he inflence of hydration heat on CFST arch bridge disappeared after 7 days since the completion of concrete pouring.

Concrete-filled steel tube arch bridge；Hydration heat；T emperature field；Field test；Finite element method

U446.2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.08

1003-1995（2016）08-0035-04

2015-08-31；

2016-05-09

高卫卫（1983— ），男，工程师。