汪 旭

(重庆大学城市科技学院，重庆 402167)

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异型箱梁截面水化热温度效应研究

汪 旭

(重庆大学城市科技学院，重庆 402167)

以湘潭市某斜拉拱桥的健康检测项目为背景，建立边跨混凝土箱梁X1号梁段的有限元实体模型计算由水化热引起的温度应力，计算结果显示，腹板与横隔板交界处、翼缘板外侧、底板下缘处的温度应力超过了混凝土的极限抗拉强度，这些区域与施工监控过程中观测到的翼缘板外侧、腹板与横隔板交界处的早期裂缝有较好的吻合性，可以初步判断该裂缝的成因与水化热温度效应有一定的关系。

异型箱梁截面，有限元分析，水化热，温度应力

0 引言

近几年,随着桥梁建设的飞速发展,箱梁截面得到了广泛的应用，箱梁截面扭转刚度大，铺设管道方便，越来越得到广大设计人员的认可。然而，随着桥梁跨度越来越大，截面尺寸也越来越大，导致水泥在水化过程中产生的水化热积聚在截面内部不易散发出来，形成了较大的温度梯度和温度应力，进而引起了温度裂缝，裂缝一旦出现便容易导致钢筋锈蚀，从而影响结构的耐久性，因此，箱梁截面的水化热温度效应应引起工程界的重视。

1 工程概况

本文以湘潭市某斜拉拱桥的健康检测项目为背景进行箱梁截面水化热温度效应的研究。该桥主跨为钢管混凝土中承式拱圈，边跨为预应力钢筋混凝土上承式拱肋，并以斜拉索辅助受力，桥梁结构总体布置图见图1，边跨箱梁截面的细部尺寸见图2。

由图2可以看出该箱梁的外侧翼缘板较厚，导致水化热更加

不易散发出来，加大了截面上的温度梯度。实际上，该桥边跨箱梁结构在施工过程中便出现了早期裂缝，因此本文将针对边跨箱梁结构建立有限元实体模型，模拟水泥的水化过程，判断早期裂缝的出现是否与水化热温度效应有关。

2 斜拉拱桥边跨箱梁有限元实体模型的建立

本文将选取边跨箱梁中X1号梁段建立有限元实体模型，模拟水泥水化作用，计算水化热温度场与温度效应。X1号梁段包括4.5 m长的大体积实腹段，位于该斜拉拱桥边跨箱梁靠近引桥侧的支座位置，其有限元实体模型见图3。

建立有限元实体模型对水泥的水化过程进行仿真模拟时，需要定义混凝土的热力学参数，并根据实际施工过程定义初始条件和边界条件。

2.1 混凝土力学参数的确定

1)抗压强度。本文采用日本规范中关于立方体抗压强度随时间变化情况的规定。

其中，fcu,k(t)为立方体抗压强度随龄期的变化；a，b，d均为水泥类型系数，普通硅酸盐水泥a=4.5，b=0.95，d=1.11；fcu,28为28 d龄期C50混凝土立方体抗压强度标准值,为50 N/mm2。

2)抗拉强度。GB 50010—2010混凝土结构设计规范中关于抗拉强度随时间的变化情况的规定如下式所示：

其中，α2为脆性折减系数；δ为变异系数。

本文中箱梁结构采用C50混凝土，δ为0.11，α2取0.967 5，根据上式的计算结果自行输入混凝土抗拉强度。

3)弹性模量。GB 50010—2010混凝土结构设计规范中关于混凝土弹性模量的计算公式如下式所示：

4)收缩徐变。混凝土的收缩应变和徐变系数根据“中国JTG D62—2004”的相关规定采用。

2.2 混凝土热力学参数的确定

实际施工过程中所采用的混凝土配合比如表1所示，据此可计算出各项热力学参数。

表1 C50混凝土的实际配合比

修正系数:kc=1.05。

比热:CC50=kc×(0.456×19.92+0.699×22.94+0.716×48.78+4.187×8.36)/100=0.998 kJ/(kg·℃)。

混凝土的密度：ρC50=2 450 kg/m3。

导热系数:λC50=(4.446×19.92+11.129×22.94+10.505×48.78+2.16×8.36)/100=8.746 kJ/(m·h·℃)。

导温系数:

热膨胀系数为1×10-5。

2.3 边界条件和初始条件

进行水化热分析时，除了定义支承边界外，还需要定义每个接触面的对流边界系数。混凝土和空气直接接触时，其放热系数的计算公式如下：

粗糙表面：β=23.9+14.5va或β=21.1+14.60F1.4.2。

光滑表面：β=21.8+13.53va或β=18.5+12.86F1.4.2。

其中，va为风速，m/s；F为风力等级；β为放热系数，kJ/(m2·h·℃)。

当混凝土表面附有模板或保温层时，混凝土表面通过模板或保温层向周围介质放热。等效放热系数βs计算方法如下：

本文中X1号梁段采用满堂支架施工，施工过程中首先浇筑底板、腹板和实腹段，再对横隔板和顶板两个阶段进行浇筑，初始温度为20 ℃，并且根据施工日志的记录可知，混凝土浇筑时采用木模板，木模板的放热系数为β=21.06 kJ/(m2·h·℃)，导热系数为λ=0.837 kJ/(m·h·℃)，因此可以按照上式得到等效放热系数β木模板=15.57 kJ/(m2·h·℃)。第一个施工阶段与第二个施工阶段的时间间隔内混凝土暴露在空气中，此时放热系数β=21.06 kJ/(m2·h·℃)。另外，第二阶段混凝土浇筑完毕后顶面覆盖2 cm厚草袋进行养护，草袋在空气中的放热系数为β=38.64 kJ/(m2·h·℃)，导热系数λ=0.502 kJ/(m·h·℃)，等效放热系数β保温层=15.18 kJ/(m2·h·℃)。

3 斜拉拱桥边跨箱梁水化热温度效应分析

3.1 水化热温度场分析

X1号梁段纵向剖面图如图4所示，另取代表截面Ⅰ—Ⅰ进行水化热温度场和温度应力的分析，截面上测点布置情况如图5所示，Ⅰ—Ⅰ截面各测点的温度变化情况如图6所示。

由图6可知：混凝土的升温过程很迅速，在浇筑后的第1天～第3天温度达到最大值，中心测点1-10在混凝土浇筑后的第3天温度最高为52.22 ℃，表面测点1-3，1-7在混凝土浇筑后第1天温度达到最高值38 ℃。

结构降温过程相对缓慢，并且表面测点的降温速度比中心测点的降温速度快，表面各测点的温度在30 d时基本降到20 ℃，而此时中心测点1-10温度仍在26 ℃以上，这是由于混凝土的导热性能比较差导致结构内部的水化热不易散发，从而使截面上形成了从内至外的温度梯度。

另外，由图6还可以看出，结构中最大温差的出现时间较最高温度的出现时间呈现一定滞后性，6 d时最大温差达29.76 ℃，30 d时仍有6 ℃的温差。

3.2 水化热温度应力分析

本文利用有限元软件MIDAS FEA计算结构由水化热温度效应引起的混凝土主拉应力大小，仍然选取Ⅰ—Ⅰ截面分析结构表面的主拉应力随时间的变化规律，并与混凝土的极限抗拉强度进行对比。Ⅰ—Ⅰ截面上各测点的温度应力随时间的变化规律如图7和图8所示。

由图7和图8可以看出：温度应力随着腹板高度方向高度越小，温度应力越小，测点1-1的主拉应力在30 d时有最大值为5.49 MPa，另外2号～8号测点的主拉应力均超过了混凝土的抗拉强度，极易导致混凝土开裂。

图9～图12为整个浇筑过程中X1号梁段各点产生的最大主拉应力云图。

图9～图12中白色等值线代表混凝土的极限抗拉强度值，等值线以内或以外区域即为混凝土的应力超限区域，主要包括腹板与横隔板交界处、翼缘板外侧、底板下缘，这与施工监控过程中观测到的翼缘板外侧、腹板与横隔板交界处的早期裂缝有较好的吻合性，因此可以初步判断该裂缝的成因与水化热温度效应有一定的关系。

4 箱梁水化热温控措施

混凝土一旦出现裂缝会影响结构的安全性、适用性和耐久性，并且裂缝的修补工作会耗费大量的人力物力，因此应采用有效的措施避免温度裂缝的出现。

箱梁的水化热温度效应控制可以从以下几方面考虑：1)箱梁的设计过程中应注意合理优化箱梁截面，避免出现局部体积过大的情况，不可避免时应注意设置分层浇筑混凝土，从而避免一次性浇筑混凝土而带来的水化热积聚增大温度梯度的现象。2)水泥发生水化反应是温升的直接原因，因此宜选择低热高强并具有优良的抗拉性能的水泥，并在保证混凝土强度和流动性的前提下降低水泥用量。3)混凝土的入模温度过高会加速水化反应释放更多的水化热，因此应采取有效措施降低混凝土的入模温度。4)在混凝土养护时尽量减小内外温度差，如预埋冷水管做降温处理。

[1]朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制.北京：中国电力出版社，1999.

[2]叶见曙，贾 琳.混凝土箱梁温度分布观测研究.东南大学学报，2002,32(5):788-793.

[3]朱伯芳.考虑温度影响的混凝土绝热温升表达式.水力发电学报，2003:2(81)：69-73.

[4]周 履，陈永春.收缩徐变.北京：中国铁道出版社，1994.

[5]朱伯芳.再论混凝土弹性模量的表达式.水利学报，1996(3):89-92.

[6]JTG D60—2004，公路桥涵设计通用规范.

Study on hydration heat temperature effect of alien box girder

Wang Xu

(CityCollegeofScienceandTechnology,ChongqingUniversity，Chongqing402167,China)

Taking the health detection project of a able-stayed arch bridge in Xiangtan as the background, this paper establishs the finite element entity model of the side span concrete box girder beam’s No.X1 block to calculate the temperature stress caused by hydration heat. The results show that the temperature stress at the junction of the flange plate and the web plate, outside of the flange plate and at the bottom of the floor higher than the ultimate tensile strength of concrete. These areas have good match with the early cracks at the junction of the flange plate and the web plate and outside of the flange plate found in construction monitoring. So we can preliminary determine the cause of the cracks and has a certain relationship with hydration heat temperature effect.

alien box girder， finite element analysis， hydration heat， temperature stress

1009-6825(2015)21-0147-03

2015-05-18

汪 旭(1988- )，男，助教

U448.213

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