铁路箱梁桥预制拼装梁段混凝土浇筑仿真分析

2022-10-11孙星杨翔张康康何伟

铁道建筑 2022年9期

孙星杨翔张康康何伟

1.中铁十六局集团有限公司，北京 100018；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063；3.华北水利水电大学土木与交通学院，郑州450045

铁路节段预制拼装桥梁多采用箱形截面，截面尺寸大。混凝土导热性较差，箱梁内部混凝土温度会由于水泥的水化作用急速上升，使得箱梁内外存在温差［1］。在浇筑初期混凝土弹性模量较小且强度较低，当箱梁内外温差较大时可能会开裂，从而影响混凝土结构的耐久性和安全性［2］。因此，研究箱梁节段预制拼装梁段混凝土水化热早期温度变化的特点及温度应力分布有重要意义。文献［3-4］通过试验研究了混凝土箱梁早期温度场变化规律。文献［5-6］采用有限元软件对箱梁水化热温度场进行了数值分析。文献［7-8］研究了混凝土箱梁早期温度场，发现箱梁结构的复杂性是导致箱梁早期温度场分布不均的主要原因，混凝土箱梁水化热温度具有骤升缓降的特点。文献［9］研究了冬季和夏季混凝土箱梁水化热温度场分布规律。文献［10］研究了养护方法对混凝土性能的影响。文献［11］研究了冬季混凝土箱梁温度场，发现低温环境对混凝土养护效果有较大影响。文献［12］对混凝土箱梁早期温度场进行了数值模拟，建议根据混凝土箱梁温度场变化规律进行后期养护。文献［13］研究了低温环境养护对混凝土刚度和强度的影响。文献［14］研究了不同养护温度下混凝土抗压强度变化曲线。文献［15］研究了不同养护工艺下的早期温度场。

现有文献主要研究箱梁混凝土整体浇筑时早期温度场，或环境温度变化时箱梁温度场，较少研究箱梁节段混凝土浇筑时在不同养护条件下水化热与环境温度耦合作用时的温度场与应力场变化规律。本文以市域铁路箱梁节段预制拼装桥梁为背景，利用ANSYS建立有限元模型，研究在不同养护条件下箱梁节段预制梁段混凝土浇筑时水化热温度场、应力场的分布规律。

1 工程概况

郑许市域铁路是一条连接郑州新郑市航空港区与许昌市建安区许昌东站的城市轨道交通线路，目前已建成通车。许昌段线路北端起于郑州、许昌市界，南端止于许昌东站，线路长33.78 km，其中高架线长27.823 km，地面线长1.941 km，地下线长4.016 km。高架线主要结构形式为双线节段预制预应力混凝土简支箱梁，箱梁截面形式为单箱单室（图1），顶板宽10.6 m，底板宽4.4 m，梁高1.8 m；跨中顶板厚25 cm，底板厚28 cm，腹板厚36 cm；梁端顶板厚40 cm，底板厚60 cm，腹板厚60 cm。节段梁分为标准节段、过渡节段、梁端节段。除梁端节段长2.45 m外，其余节段长2.50 m。30 m梁由2个梁端节段，2个过渡节段、8标准节段共12个节段组成；25 m梁由2个梁端节段、2个过渡节段、6标准节段共10个节段组成。许昌段全线共计736孔梁，其中30 m梁640孔，25 m梁96孔，共8 640榀节段梁。节段梁在许昌制梁场浇筑，采用C50混凝土，普通钢筋采用HPB300、HRB400。由于许昌段节段梁数量较多，浇筑工期达一年以上，自然环境变化大，因此需要根据当地气象条件制定科学合理的节段梁混凝土浇筑养护方案，以避免混凝土产生裂缝，保证节段梁浇筑质量。

图1 梁端与跨中节段梁截面（单位：cm）

1.1 当地气象条件

工程地处许昌市，根据气象局近50年统计，许昌冬季最低气温出现在1月份，夏季气温最高出现在7月份，分别取施工前3年1月份和7月份连续7 d气温中最低气温与最高气温作为制梁场冬季与夏季气温条件，见图2。

图2 制梁场气温

1.2 施工方案

为了防止节段梁在预制施工过程中开裂，保障施工质量，结合制梁场气象条件，提出混凝土浇筑养护方案。

夏季采用喷淋养护。整孔节段梁浇筑时间不超过3 h，龄期达到3 d后拆模。混凝土浇筑完成后立即采用高压水枪喷雾洒水，喷淋水压0.3~0.5 MPa，喷水流速2~4 m/s，每小时喷淋10~15 min。喷淋用水为经检验合格的地下水，地下水水温常年维持在15~17℃。养护时间不低于30 d。

冬季采用蒸汽养护。由于许昌冬季气温低于5℃，节段梁浇筑完成4 h后采用防火岩棉彩钢房蒸汽升温的方法进行养护，龄期达到3 d后拆模。蒸汽养护可分为静停、升温、恒温、降温4个阶段。静停阶段保持养护窑内温度在10℃；浇筑结束4~6 h后开始升温，升温阶段速度不得大于10℃/h；养护温度达到45℃后进入恒温节段，持续12 h；最后进入降温节段，降温速度不大于10℃/h［16］。蒸汽养护结束后，若冬季气温低于5℃，需对节段梁表面采取保温措施，并保持窑内温度为10℃。

2 模型建立

2.1 有限元模型及计算假定

采用ANSYS有限元软件建立箱梁节段计算模型，几何尺寸根据相关图纸确定，各材料物理参数按实测值或规范值确定。箱梁节段采用三维实体单元模拟，建模时考虑剪力键及预应力筋孔道，温度场分析时采用solid70单元模拟，结构分析时采用solid65单元模拟。跨中节段有限元模型共34 892单元，42 665节点；梁端节段有限元模型共51 532单元，60 334节点。

2.2 模型计算假定

由于预制混凝土节段梁温度场及应力场的影响因素较多，在满足工程精度要求的前提下，为简化计算，作如下基本假定：①忽略钢筋吸收的热量对预制节段梁水化热温度场产生的影响，在结构应力计算时不考虑普通钢筋的作用；②浇筑施工完成后，混凝土为连续各向同性均质材料，在各种荷载作用下混凝土始终处于弹性状态；③温度场计算始于箱梁节段混凝土一次性浇筑成型，假定在混凝土浇筑过程中不产生水化热，浇筑完成才开始水化放热；④在整个混凝土浇筑仿真分析中，假定混凝土的热传导系数、比热容、对流系数、热膨胀系数等热物理参数为常数。

2.3 模型主要参数选取

2.3.1 混凝土材料参数选取

C50干硬性补偿收缩混凝土的弹性模量为35.5 GPa，泊松比0.2，密度2 450 kg/m3，热传导系数2.94 W/（m·h·℃）-1，比热容0.96 kJ/（kg·℃）。在混凝土凝结期内，其弹性模量E（t）随混凝土龄期t的不同而变化，二者的关系式为

根据在混凝土浇筑过程中，同龄期混凝土的抗压能力是抗拉能力的8~10倍［17］。本文采用文献［17］提出的混凝土抗拉强度与抗压强度之间的关系式，即

式中：Rf（t）为龄期t时混凝土抗拉强度；Rc（t）为龄期t时混凝土抗压强度；Rc0为28 d混凝土抗压强度；m为与浇筑水泥类型有关的系数，取0.172 7。

不同龄期C50混凝土弹性模量和抗拉强度见表1。C50混凝土28 d龄期抗压强度为50 MPa。

表1 不同龄期C50混凝土弹性模量和抗拉强度

2.3.2 水泥水化热

水泥水化热主要与水泥自身的特性有关，包括水泥的等级种类和龄期。水化热的表达式主要有指数式、双曲线式和复合指数式3种形式。本文采用复合指数式计算水泥水化热，即

式中：Q（t）为龄期t时的水化热；Q0为最终水化热；a、b均为与浇筑水泥相关的常数。

采用普通硅酸盐水泥P·O 42.5，Q0=330 kJ/kg，a=0.69，b=0.56。

2.3.3 初始条件和边界条件1）初始条件

通常情况下可将初始温度场看作均匀分布，计算混凝土水化热时将混凝土浇筑的入模温度T0作为初始温度，即

2）边界条件

在大气环境中箱梁混凝土表面与周围空气通过热对流方式进行热量传送。温度场边界条件共有四类，本文主要采用第三类边界条件，即对流边界条件。冬季蒸汽养护拆模前钢模板外有聚苯乙烯泡沫板与空气接触，顶板混凝土外贴土工布与空气接触，并采用蒸汽进行加热，拆模后混凝土与空气接触；夏季喷淋养护拆模前混凝土外贴钢模板与空气接触，拆模后混凝土与空气接触，拆模前后均进行喷淋降温。

在空气中混凝土结构的放热系数β主要取决于环境风速v或风力等级F，计算式为

粗糙表面

光滑表面

当节段混凝土表面附有模板或保温层时，混凝土表面通过保温层向周围介质放热，采用第三类边界条件计算时等效放热系数βs为

式中：hi为保温层厚度；λi为保温层导热系数。

根据现场施工条件，许昌年平均风速为2.3 m/s，拆模前混凝土表面为厚度1 cm的钢板，其导热系数为163.29 kJ/（m·h·℃），钢板在空气中的放热系数为52.92 kJ/（m2·h·℃），则混凝土外贴钢模板时等效放热系数为14.65 W/（m2·℃）。同理可得混凝土外贴0.5 cm土工布的等效放热系数为11.87 W/（m2·℃），混凝土外贴1 cm钢模板与1 cm聚苯乙烯泡沫的等效放热系数为3.36 W/（m2·℃）。

夏季进行喷淋养护时采用地下水，水温约20℃，喷淋水速约3 m/s。根据传热学基本原理，喷淋时平均对流系数h为

计算可得混凝土喷淋时h=4 943.09 W/（m2·℃）。

2.3.4 绝热温升计算

绝热温升是指混凝土构件在无任何散热和热损耗条件下，水泥水化热全部转化的最后温升。混凝土绝热温升θ（t）可根据水泥水化热估算，即

式中：W为水泥用量；c为混凝土比热容；ρ为混凝土密度。

2.3.5 热传导方程

根据热传导理论，混凝土箱梁浇筑后温度场分布可以看作是在特定边界条件和初始条件下热传导方程的解。热传导方程为

3 预制节段梁温度场分析

混凝土水化热主要在浇筑后的初期产生，如硅酸盐水泥主要在浇筑后1～3 d，矿渣或粉煤灰硅酸盐水泥主要在浇筑后1～5 d。在该段时间内逐步累积的水化热，使已浇筑的混凝土核心区温度持续上升并在浇筑后24～48 h达到峰值，且受放热速率降低、环境温度变化等条件的影响会产生波动。该阶段由于混凝土抗拉强度较低，当混凝土内外温差过大时会开裂。因此，验证节段梁混凝土浇筑养护方案时，主要模拟节段浇筑后7 d内的温度场。

3.1 温度场分布

温度场分析时以0.5 d为一步，共14步。通过数值模拟计算冬季与夏季两种极端气象条件下跨中节段和梁端节段浇筑施工温度场。结果显示，节段梁冬夏季温度场分布规律基本一致，温度呈横向及纵向对称分布，高温区主要位于顶板与腹板交接处核心部位。冬季施工阶段自然养护温度场分布见图3。可知：与其他区域相比，由于箱梁顶板、底板厚度较小，水化热产生的热量少，能很好地进行热传递，内外温差较小，到第7天时已接近环境温度；顶板和腹板连接处混凝土体积较大，不易散热，因此节段梁混凝土浇筑后最高温度位于顶板与腹板连接处。浇筑初期节段梁内部温度逐渐增加，随着水泥水化反应程度减低及环境温度变化，节段梁内部最高温度逐渐降低，且分布范围逐渐减小。

3.2 温度时程曲线

夏季及冬季施工采用自然养护和人工养护时，跨中、梁端节段梁内最高温度及温差变化曲线分别见图4和图5。可知：①箱梁节段温度随混凝土龄期历经升温、降温两个阶段。②在冬季预制节段梁时，蒸汽养护可以延缓最高温度出现时间，降低混凝土内外温差，减小混凝土开裂风险。③在夏季预制节段梁时，通过在混凝土表面洒水，可以加速热量流失，降低温度，减小混凝土内外温差，降低混凝土开裂风险。以上可证明施工养护方案可行，效果明显。

图5 梁端节段最高温度及温差变化曲线

节段梁有无预应力孔道最高温度变化曲线见图6。可知，梁端节段在顶板与腹板连接处有预应力孔道时，由于孔道对混凝土内部有散热作用，从而降低了内部温度，减小了混凝土内外温差。因此梁端节段内部最高温度与跨中节段相比较低。

图6 有无预应力孔道最高温度变化曲线

4 温度应力分析

对预制混凝土节段梁水化热温度效应进行数值分析后，将计算得到的温度场作为荷载施加到结构应力分析模型上，再进行热-结构耦合应力分析。浇筑完成3 d后拆模，拆模前底模板、侧模板和内模板采用combin39只承压不承拉的弹簧单元模拟，弹簧单元沿混凝土表面的外法线方向建立，对弹簧单元外端节点施加位移约束；拆模后不考虑模板影响，对节段梁底板施加竖直方向位移约束。

4.1 应力场分布

节段梁在混凝土浇筑后，温度应力与温度变化梯度相关。冬季施工时温度变化剧烈，节段梁开裂风险更大。不同养护方式下龄期为3 d时冬季与夏季跨中节段第一主应力分布云图分别见图7和图8。可知：①节段梁在水化热作用前期内部释放大量热量，且在混凝土内部传播缓慢，导致热量在混凝土内部积聚，温度相对较高。②内外温差较大，外表面因温度低而收缩，内部因温度高而膨胀，内外变形受彼此约束，呈现出箱梁顶板与腹板连接梗腋处混凝土为压应力，外表面为拉应力。③冬季和夏季节段梁的温度应力分布规律基本一致，顶板与腹板连接梗腋处出现一定程度的应力集中。④在冬季浇筑施工时，温度应力明显大于夏季，这是由于冬季外界气温低，箱梁内外温度梯度较大，混凝土水化热产生的温度应力更大。

图7 冬季跨中节段第一主应力（单位：Pa）

图8 夏季跨中节段第一主应力（单位：Pa）

4.2 温度应力时程曲线

夏季及冬季施工时跨中节段及梁端节段梁最大第一主应力变化曲线见图9。

图9 第一主应力变化曲线

由图9可知：

1）节段梁冬季自然养护条件下最大拉应力发生在第2天，跨中和梁段节段最大值分别为3.6、3.2MPa，均超过同龄期的混凝土抗拉强度，混凝土表面会开裂；节段梁冬季蒸汽养护条件下最大拉应力发生在第3天，跨中节段及梁端节段均为2.5 MPa，小于同龄期混凝土抗拉强度，混凝土表面不会开裂。由此可知，在冬季对节段混凝土浇筑后进行蒸汽养护可以推迟最大拉应力出现时间，有效减小拉应力，降低混凝土出现裂缝的风险。

2）节段梁夏季自然养护条件下最大拉应力出现在第3天，跨中和梁段节段最大值分别为3.0、2.5 MPa，后者超过混凝土抗拉强度，混凝土表面会开裂；在夏季喷淋养护条件下最大拉应力出现在第2天，跨中和梁段节段最大值分别为2.2、2.1 MPa，均小于混凝土抗拉强度，混凝土表面不会开裂。因此，在夏季对混凝土浇筑后进行喷淋养护可以降低最大拉应力，避免混凝土开裂，保证结构耐久性。

3）冬夏季最高温度曲线及温差变化曲线最大值变化规律基本一致，均在第2天左右达到最大值（参见图4和图5），而最大应力变化曲线均在第3天左右达到最大值，表明温度应力峰值发生在最高温度及温差最大值之后，存在一定的滞后性。

有无预应力孔道顶板应力变化曲线见图10。可知，跨中节段最大应力小于梁端节段，这是因为梁端节段在顶板与腹板连接处有预应力孔道，孔道对混凝土内部有散热作用，降低了混凝土内外温差，内部混凝土膨胀对表面造成的约束减小，梁端节段对应的各最大拉应力相对较小；跨中节段顶板与腹板连接处没有预应力孔道，导致跨中节段混凝土内部散热没有梁端节段快，跨中节段混凝土内部温度更高，内外温差更大，因而跨中节段应力更大。因此，采取冬季蒸汽养护和夏季喷淋养护施工方案可以降低混凝土开裂的风险，证明本节段梁养护方案的合理性。