预应力连续刚构桥0号块水化热分析研究

侯 清，黄绍灯，许 晗，向其凯，童 鑫

(浙江交工集团股份有限公司,浙江 杭州 310051)

0 引言

在预应力连续刚构桥的构造中,0号块是连接箱梁和柱墩的重要节段,其在施工过程中主要承受悬臂结构的负弯矩,成桥后同样承担由于超静定结构在支承处产生的负弯矩,因各阶段承担的荷载较大,对结构自身的尺寸也提出更大的要求,加之每一根预应力腹板束、顶板束均需从该节段穿过,还需在墩顶预留人孔,导致0号块的内部、外部结构均十分复杂。对于跨径较大的预应力刚构桥,因其0号块在各个阶段承担的荷载较大,结构尺寸也较大,主梁的材料又采用C50以上标号的混凝土,导致0号块浇筑的过程中容易产生较大的水化热,结合0号块复杂结构的特点,容易在尺寸较大的底板、腹板处产生水化热非结构性裂缝,另外材料的收缩徐变在该节段上的影响也十分明显[1]。因此需要在施工过程中,通过计算分析掌握0号块浇筑过程中的温度场及温度应力发展规律,以制定更加合理、科学的水化热处治措施,优化施工工艺,从而确保结构浇筑完成后的质量。

1 工程概况

依托于广西天峨至巴马高速公路的拉仁2号高架大桥,桥梁全长为279 m,采用三跨预应力混凝土变截面连续刚构箱梁桥,拉仁2号高架大桥立面分别如图1所示。

该桥上部采用75 m+120 m+75 m预应力混凝土连续刚构,每幅主梁采用直腹板的单箱单室箱梁。主梁根部断面图如图2所示。主梁0号块墩梁连接处底板厚1.7 m,墩间及悬臂部分底板厚0.9 m～1.2 m,底板宽9 m,长14 m,隶属于大体积混凝土施工范畴。为确保混凝土施工质量,考虑对0号块采取设置冷却水管通循环水冷却温控措施[2]。

2 模型建立与相关参数选取

2.1 模型相关参数选取

Midas FEA是当前桥梁结构开展实体分析的大型有限元软件,能够进行各种非线性计算分析,通常使用在桥梁的细部分析、水化热计算、裂缝分析、数值风洞中[3]。在本文中,利用该软件建立拉仁2号桥0号块模型,用以分析在浇筑过程中0号块的温度场及其温度应力的分布及变化规律。根据计算分析的需求,需要进行材料热力学参数的整理。

拉仁2号大桥主梁采用C55混凝土,采用集中拌制,材料容重为25 kN/m3,材料弹性模量为3.55×104MPa,泊松比为0.2,主梁浇筑拟在夏季进行,平均入模温度20 ℃,整理材料热力学参数如表1所示。

表1 拉仁2号桥0号块材料热力学参数

2.2 有限元模型建立

2.2.1 有限元模型建立步骤

根据拉仁2号0号块结构尺寸,建立三维实体有限元模型。根据Midas FEA软件的计算分析流程,整理具体建模流程如下:主要建模计算分析分为前处理和后处理两个部分,前处理阶段,主要进行材料参数的定义和结构实体模型的建立,材料的参数包括材料本构关系、弹性模量、密度、泊松比、时间依存性特性、热力学参数等。结构实体模型的建立包括几何尺寸的建立、网格划分、定义边界条件。模型建立完成后,需定义混凝土水化热热源函数、环境温度以及对流系数函数。最后根据实际的施工过程,定义施工阶段。后处理阶段,定义分析控制,运行分析计算,得到水化热分析计算的结果[4-6]。

将以上建模步骤绘制成流程图如图3所示。

2.2.2 模型的建立

拉仁2号高架大桥0号块属于中心对称结构,在进行分析计算时,为了减少计算单元数量,减少计算压力,可尽可能的简化模型。在本文中,仅建立拉仁2号桥的1/4,通过设置合理的边界条件达到对全部结构的计算结果。同时,通过对内部结构的剖切,能够更加直观的观察0号块的内部结构[7]。模型建立的过程中,还需考虑结构实际的约束条件,处于悬臂结构时,0号块与主墩为固结体系,对应约束0号块的竖向位移,对于纵向和横向剖切面,分别约束对应方向上的平动自由度,即宏观坐标系下的X轴、Y轴方向的自由度。

在进行实体结构网格划分时,由于不同尺寸差异和局部倒角构造,需要对局部网格进行加密,采用自由网格划分的方式划分结构网格,划分后,结构单元共计2 100个,并通过设置对称边界条件与对流边界条件区分结构剖面和对流面域。0号块结构1/4模型(网格划分)如图4所示。

3 0号块水化热分析

3.1 0号块温度场计算

根据实际拟定的施工步骤,混凝土初始温度场为20 ℃,根据现场实测,环境温度按照4个时段进行模拟,分别为AM6:00—12:00,环境温度从25 ℃上升至35 ℃,12:00—18:00,环境温度从35 ℃下降至21 ℃,18:00—24:00,环境温度从21 ℃下降至17 ℃,24:00—次日6:00,环境温度从17 ℃上升至25 ℃。将模拟的对流交换条件、热源函数市价在模型上,进行瞬态热传导分析。根据大体积水化热常规的控制要求,对0号块浇筑7 d内的温度场进行计算模拟,分别观察从开始浇筑后10 h,30 h,130 h,170 h时刻0号块温度场的分布具体计算结果如图5所示。

从图5的温度场分布云图可以看出,拉仁2号大桥的0号块在30 h时达到了最高温度77 ℃,最高温度发生在横隔板处,除翼缘板外的核心区域间表里温差为30.58 ℃,根据GB 50496—2009大体积混凝土施工规范中温控指标的规定,表里温差不宜大于25 ℃,因此需采取一定的温控措施进行温度控制。

3.2 0号块水化热温度应力

为确保在浇筑过程中0号块不因温度场升降温而产生温度裂缝,需要对0号块进行温度应力的计算分析,主要对升降温过程中的主拉应力进行计算,计算时,需考虑混凝土强度随时间的发展,即混凝土材料的时间依存性。温度裂缝产生的原因是内外部温差的存在导致结构体各个部位因温度产生变形的不协调,从而形成温度应力,当温度应力超过材料的容许主拉应力,则结构将产生温度裂缝,提取腹板处温度应力随时间的变化情况见图6。

从计算结果可知,腹板内侧中心点因温度应力产生的最大主拉应力为2.3 MPa,此时C55混凝土的容许主拉应力为2.78 MPa,大于由于温度场产生的主拉应力,因此在整个浇筑过程中,0号块不会因为温度应力产生温度裂缝[8-10]。

4 结论

本研究依托于广西天峨至巴马高速公路的拉仁2号0号块的施工,采用Midas FEA有限元分析软件,分析0号块在浇筑过程中温度场的变化规律及其温度应力,计算结果表明,在0号块浇筑的过程中,在不采取温控措施的情况下结构的表里温度差为30.58 ℃,不满足规范中对温度控制的要求,因此需采取一定的温控措施,在对温度应力的分析中,以腹板内侧中心点计算最大主拉应力为例,结合材料的时间发展曲线表明,在整个浇筑的过程中该0号块不会产生温度裂缝。结合实际浇筑温度监测结果表明,结构计算分析很好的模拟了结构实际浇筑过程中的温度场,为0号块施工质量的控制提供了有效的措施。