混凝土箱梁早期水化热温度效应的仿真分析

丁 笑 笑

(威海海洋职业学院，山东 威海 264300)

随着我国大跨度桥梁的辉煌建设，箱型截面梁桥以其良好的截面受力特点，被广泛应用，但是由于其结构截面大，需要在生产过程中使用大量水泥，使得浇筑完成后的混凝土箱梁发生水化热现象。而混凝土材料导热性比较差，水化热产生的温度梯度可产生早期的温度效应，影响结构的耐久性和安全性。因此，研究箱梁由于水化热产生早期温度变化情况和温度应力具有重要意义。

在混凝土温度场计算原理理论分析的基础上，根据实际工程中的某一连续箱形桥梁的单箱单室分段的自身特点，在温度场理论分析的基础上，分析箱梁在水化热产生温度效应数值仿真分析中边界条件的确定和参数的取值，研究温度场和温度应力在箱梁截面的分布规律。

1 温度场计算原理

1.1 热传导方程

根据热传导理论，浇筑后混凝土箱梁结构的温度场分布可看成在特定边界条件和初始条件下进行求解热传导方程。假设混凝土各向同性，连续，均匀，在水泥水化热的作用下，具有内部热源i强度，温度随时间变化的热传导方程可表示为：

其中，α为导热系数；T为混凝土的瞬间温度；Q为热源密度；c为混凝土比热；ρ为混凝土密度[1]。

1.2 边界条件的确立

计算混凝土箱梁的热传导方程需要确定初始条件和边界条件，其中初始条件为箱梁受热前整个结构的初始温度数值。边界条件为混凝土箱梁外表面与四周介质的相互作用规律，通常认为箱梁的边界条件有四类[2]，认定混凝土箱梁结构边界上与周边的环境进行换热的方式主要为对流，因此设定边界条件为第三类边界条件。对流热交换系数的确定与介质的物理性质，流速，换热表面的部位，表面，形状与介质之间的温差密切相关。

1.3 水化热公式

引起混凝土箱梁早期温度应力的因素是水泥的水化热，在箱梁结构温度场计算中，混凝土的水化热主要依赖龄期，混凝土箱梁水化热放热规律和绝热温升采用朱伯芳提出的复合指数法[3]，其表达式为：

Q(τ)=Q0(1-e-aτb)。

其中，Q(τ)为在龄期T时累积的水化热，kJ/g；Q0为t趋近于无穷时的最终水化热，kJ/kg;a，b均为系数，查表求得。

2 有限元模拟

ANSYS是集结构、热、流体、电磁场和耦合场分析于一体的大型通用软件，其中热分析功能是基于能量守恒原理的热平衡方程，可以计算结构各节点的温度和应力[4]。选取实际工程中的某一连续箱梁桥的结构分段，长度取为3 m,箱梁顶板宽为16.5 m,底板宽为7.8 m,高为8.8 m,顶板，腹板和底板厚度分别为0.53 m，1 m，1.2 m。模拟时假定混凝土箱梁为一次浇筑入模，同时忽略混凝土浇筑经历的时间和太阳辐射的影响。求解时分析步骤可分为前处理，建模；求解，施加荷载计算；后处理，查看结果三个步骤。

2.1 建立分析模型

用有限元软件对箱型模型模拟温度场时，选取适用于三维瞬态热分析问题中的单元类型Solid70。混凝土强度等级为C55,重点研究混凝土的早期温度效应，不考虑钢筋的影响，因此设定材料参数见表1。选用有限元网格时，根据箱梁截面尺寸建立有限元实体模型，全部采用四边形单元对模型进行映射网格划分，实际划分单元数为16 912。图1为有限元网格图。

表1 材料系数设定

2.2 荷载时间及求解

计算时分析类型定义为瞬态分析类型。定义箱梁浇筑初始温度为30 ℃，将箱梁水化热、边界热交换写成温度随时间变化的循环语句分别以体荷载，面荷载的形式施加到箱梁模型上。设定计算时间为3 d，荷载子步长为1 h，计算求得箱梁早期水化热各个时刻的温度场。然后再改变单元类型，确定混凝土的结构材料特性，删除所有热载荷并施加结构约束条件，读入热分析所得的温度结果，将其作为温度作用施加到箱梁分段上进行结构分析，最后得到箱梁早期的温度应力。

3 数值分析

3.1 温度场分析

图2为箱梁水化热的温度场云图，图2，图3显示早期混凝土箱梁外表面温度最高可以达到71 ℃，温度峰值出现在上下梗腋处，此处局部尺寸较大，与外界换热少，水泥水化热较高不易散发而导致。

箱梁顶板，腹板和上底板部位的温度变化曲线见图3，早期阶段箱梁各个部位的温度变化规律趋势是一致的，上升到一个峰值后缓慢下降，这与一般大体积混凝土水化热温度曲线相似。可见入模后的混凝土经过水化热其温度经历了较快的温升阶段，一直到温度峰值后，出现相对缓慢的温降现象。由于上底板部位尺寸较厚，位置较低水化热产生的热量大且与处于箱梁内侧与外界热交换少，因此底板的温度峰值反而高于腹板和顶板。顶板表面平坦，无局部尺寸，处于上处通风处，温升之后降温速度快于腹板[5]。

图4中显示在腹板范围内沿梁高方向选取腹板下部、腹板中部和腹板顶部三个不同的位置比较温度变化规律，腹板高度中间附近温度最高，高度上端次之，腹板下端接近下底板附近温度最低，两者之间数值相差约12 ℃，这说明沿梁高的箱梁存在较大的温度梯度，此温度梯度极易产生温度应力。

3.2 温度应力分析

图5显示为腹板与顶板和底板相接处两点的温度应力，可看出在水化热后期在顶板与腹板交接处出现了箱梁早期最大温度应力可以达到2.2 MPa，交角处热量换散困难应力集中现象显著，这与温度场分析吻合。上顶板与腹板连接处表面形成应力集中区域，再加上在实际使用过程中受太阳辐射的影响极易产生混凝土开裂现象。

图6中深灰区域表示应力最大值所在的区域，可以看出，由于温度升高，箱梁体积膨胀，沿箱梁腹板和底板内侧部位和外侧形成两个拉应力带，这说明由于此处板件较厚，水泥用量大，水化热作用激烈，如果不适当采取冷却或散热等防护措施，极易造成混凝土的损失和开裂。

4 结语

混凝土箱梁结构浇筑之后会受到水化热的影响，由此会引起箱梁结构的温度变化，通过有限元软件模拟可以发现在混凝土硬化早期，箱梁最高温度可以达到70 ℃，这与前人所做的箱梁水化热试验相符合。

水泥水化热不仅会引起箱梁温度场的变化，还给箱梁结构带来温度效应，因此施工时有必要对其做出预防和保护措施。