高桥墩温度场试验及有限元仿真分析

张中乐，孙建诚

(1.河北瑞志交通技术咨询有限公司 石家庄市 050091；2.河北省道路结构与材料工程技术研究中心 石家庄 050091；3.河北工业大学 天津市 300401)

高桥墩与普通的中低桥梁墩台相比较，尺寸大、混凝土使用多、闭合截面多，因此，在结构施工过程中，混凝土水化热作用容易使桥墩壁内外产生较大的温差，产生较大的拉应力，从而导致混凝土产生温度裂缝。近年来，高速公路和铁路跨越式大范围的建设发展，在极端天气条件下，由于行车速度的提高，桥梁振动特性与以往的不同，温度的变化差异过大，加剧了裂缝的产生和发展，因此，控制高桥墩混凝土早期裂缝的产生，对于保证桥梁的运营安全及延长桥梁的使用寿命，有着重要的现实意义。所以，在工程界高桥墩前期浇注的水化热温度变化问题受到广泛重视[1]。

通过对某大桥高桥墩混凝土施工过程中的温度场监控，分析温度变化规律，采用ANSYS有限元仿真，分析桥墩外表面和中心的温度应力变化规律，从而为控制大桥桥墩浇注施工出现过大的水化热内外温差，减少高强混凝土产生温度裂缝提供理论指导，以确保施工过程中高桥墩结构的安全和稳定[2-4]。

1 现场监控

1.1 工程介绍

某大桥横跨一个冲沟，下部结构采用柱式墩、空心薄壁墩、柱式台、扶壁台和桩基础。

大桥左线上部结构采用10×40m装配式预应力混凝土连续T梁，中心桩号为ZK58+558，全长408m，采用6根132m长Φ1.2m桩基，3根45m长Φ1.5m桩基，20根344m长Φ1.8m桩基和8根166m长Φ2.0m桩基。

大桥右线上部结构采用9×40m装配式预应力混凝土连续T梁，中心桩号为YK58+535，全长368m，采用6根111m长Φ1.5m桩基，20根332m长Φ1.8m桩基，6根136m长Φ2.0m桩基。

1.2 温度测点布设

为了能够真实反映桥墩混凝土内外温差、降温速度及环境因素影响，同时考虑监测时间与导线、数据采集设备的连接故障问题，在温度场监测截面的选择上，将测试截面位置选择在距离承台30m处。

为了能够全面地掌握高桥墩内部温度场的分布情况，对桥墩温度测试进行了布点位置的确定，如图1所示为传感器布置平面图。

图1 传感器布置图

桥墩共选择22个温度测试点：桥墩截面对称设置20个温度测试点，一侧测点编号为①～⑩，一个大气温度测点和一个桥墩中心测点。见图1所示，每个测点一个传感器。

利用测量点的测量结果，可以用插值或者拟合的方法推测位置点的数据，而测点的布置应该使拟合误差最小。测定桥墩各位置温度的目的是确定桥墩的温度应力或温度作用产生的变形。而温度传感器的测量误差也会使计算桥墩的温度应力和变形产生误差，而合理布置就是为了使计算误差降到最小。在温度测点布设过程以及后续测量中，温度传感器可能失效，而混凝土浇注后，温度传感器不能更换，当传感器失效后，布设的测量系统不影响数据的采集。

将温度传感器附着在钢筋附近，在传感器四周用扎丝为传感器构筑若干安全防线；传感器的引线沿着钢筋下缘走，每隔一定距离将引线固定在钢筋上。传感器的引线要具有防护电缆线，并且电缆线从同一侧引出，在引出处用软管保护。

图2 传感器埋设位置和固定图

实验仪器：一台HNTT—D混凝土温度测试仪、天线2根、温度传感器和笔记本电脑一台等设备。

本次测量主要内容为高桥墩混凝土水化热及温度场分布状况，混凝土浇注后24h不间断测量，20min采集一次数据。连续观测内部及外部大气温度一周，每小时记录一次。同时将风速风力进行同步测试记录，以作为数据分析参考依据。

2 试验分析及仿真分析

2.1 试验结果分析

由于结构的对称性，以其中①～⑩测点的采集数据进行分析。如图3所示，列出了桥墩截面10个温度测试点的温度-时间曲线。从温度变化曲线可以得出：

图3 温度变化曲线

(1)在20h内，每个测点处于高速升温过程，主要是因为水泥水化放热反应的结果。

(2)20h后，水泥水化放热变得非常缓慢，由于大体积混凝土散热较慢，直到90h左右，各个测点才降到彼此的常温值(25℃左右)。

(3)90h之后，水泥水化基本结束，不再大量产生水化热。

(4)从温度测试点的温度-时间历程曲线可知，所有测试点的温度变化趋势基本一致。测点升温过程较快，主要原因在于混凝土内部温度较高、散热慢，导致温度上升迅速。

2.2 有限元仿真分析[5-6]

利用ANSYS有限元软件建立实体模型，进行桥墩水化热温度场的数值分析。先选择耦合单元，然后再进行热分析和应力分析。选取桥墩中心截面进行对比研究，得到其温度应力分布云图和应力变化曲线，如图4和图5所示。

图4 中心截面温度应力分布云图

图5 中心与外表面温度应力变化曲线

从图4和图5中可知，桥墩中心部位与表面温差影响较为明显，但各个部位的温度都是同步升高和同步降低的。水泥采用普通硅酸盐水泥，浇注温度为30.4℃。48h后，混凝土拆模，由于桥墩的混凝土厚度较薄，所以桥墩壁的中心部位温度变化不太明显。

在10h的浇注初期内，桥墩外表面和中心都表现为压应力，是由于在浇注初期，桥墩内外的温度上升趋势一致，同步升温，各个截面都表现为升温膨胀，桥墩受到外部约束在各个截面上都产生压应力。随着桥墩表面和中心温差的增大，中心膨胀大而表面膨胀较小，两者变形不一致，表面约束中心的膨胀，而中心促进表面的膨胀，从而中心产生压应力，表面产生拉应力。

温度应力曲线在上升阶段较陡，在下降阶段较缓，是因为混凝土在水化早期的弹性模量较小，而在水化后期弹性模量较大，温度下降1℃产生的拉应力比温度上升1℃产生的压应力相差较大。因此，拉应力在温降阶段抵消了温升阶段的压应力，仍留有相当大的拉应力，这是导致混凝土早期开裂的主要原因。混凝土水化热反应越大，引起的温度应力越大，则对混凝土结构产生的破坏作用越强。

在桥墩施工阶段，通过选择合理的混凝土原材料，优化配合比设计，采用合理的构造措施以及合理的施工方法，以减小水泥混凝土的水化热反应、线膨胀系数和热量比，提高混凝土的抗拉强度和极限拉伸变形能力，由此减少混凝土表面收缩裂缝，以确保施工和后期使用过程中桥墩结构的安全和稳定。

3 结论

(1)通过现场监控发现，混凝土水化作用下温度的变化规律：在浇注初期，内外温度都因水化热而升高，3d内均是升温过程，之后开始缓慢降温，但由于水化热的作用，桥墩中心部位的作用强于热传导降温作用。

(2)浇注完混凝土后，在初期，桥墩表面和中心温度大致同步增高，混凝土中心温度增高最快。模板拆除后，各外表面与大气直接接触，温度开始降低，中心与外界热量交换缓慢。

(3)通过ANSYS有限元仿真分析，得出混凝土水化热的温度应力云图和温度应力变化曲线。在浇注初期，桥墩外表面和中心的应力都表现为压应力，随着桥墩表面和中心温差的增大，混凝土中心产生压应力，而在表面产生拉应力。

(4)选择合理的混凝土原材料，优化配合比设计，采取合理的构造措施和施工方法，以减少混凝土表面裂缝，确保桥墩结构的安全和稳定。