空心高墩混凝土水化热温度场分析

2011-10-20河南省城市规划设计研究总院有限公司朱仁波赵东杰

河南科技 2011年10期

关键词：高墩环境温度温度场

河南省城市规划设计研究总院有限公司朱仁波赵东杰

河南五建集团姬志洋

空心高墩混凝土水化热温度场分析

河南省城市规划设计研究总院有限公司朱仁波赵东杰

河南五建集团姬志洋

随着高铁和高等级公路建设的发展，桥梁的跨度和高度不断刷新历史，高强度混凝土得到大量应用。高强度混凝土的水泥强度高，外加剂掺量大，水化速度快，放热量多，由此产生的水化温度应力是造成桥梁结构大体积混凝土开裂的主要原因之一。

对于考虑掺加减水剂与粉煤灰的桥梁大体积混凝土水化热温度场，国内外的研究还比较少。本文，笔者基于滑模施工的空心高墩工程实际情况，采用大型有限元软件ANSYS，建立了三维高墩有限元模型，以瞬态热传导方程和水化放热模型为基础，对浇筑9d内的温度场进行分析，并与实测数据进行对比，为同类型的空心高墩混凝土水化热分析提供参考。

一、混凝土水化计算

1.水泥水化热。水泥水化热是大体积混凝土产生温度裂缝的主要因素。因此，国内外也提出了一些对其进行估算的公式。目前主要的计算公式有：指数式、双曲线式、复合指数式等，本文笔者采用朱伯芳院士提出的复合指数表达式：

式中，a、b为计算系数，Q0为水泥水化热总量（kJ/kg），τ为混凝土龄期（d），见表1。

表 1 水化热计算系数取值

2.混凝土绝热升温。混凝土的最终绝热温升，与混凝土水泥用量、外加剂品种、粉煤灰掺加和混凝土的热学性能等有关。利用水泥水化热的热量来估算混凝土的最终绝热温升。其绝热温升公式为：

式中，θ（τ）为在龄期时的混凝土绝热温升（℃），Q（τ）为在龄期时水泥的累积水化热（kJ/kg），W为每立方米混凝土水泥用量（kg/m3），c为混凝土比热（kJ/kg·℃），ρ为混凝土密度（kg/m3），F为混合材料用量（kg/m3），k为折减系数，对于掺加粉煤灰，可取k=0.25。

二、空心高墩水化热温度场有限元计算

基于能量守恒原理的热平衡方程，用ANSYS有限元法计算各节点的温度及有限元模型的温度分布和变化情况。本次混凝土水化热属于瞬态热分析，温度场随时间的变化而变化。

ANSYS瞬态热分析的主要步骤为建模、加载计算和后处理、查看结果。

1.工程概况。以三门峡某大桥的空心矩形桥墩为研究对象，此桥采用C50钢筋混凝土结构，滑模施工工艺，建设技术含量高，施工建造技术复杂。

空心矩形桥墩的截面外围尺寸为7m×5.4m，内边尺寸5.8m× 4.5m，短边壁厚1.2m，长边壁厚0.9m。混凝土滑模施工每层浇筑1m。浇筑期间，白天气温34℃，夜晚气温18℃左右，混凝土入模温度为25℃。

2.单元选择及网格划分。空心墩水化热温度场有限元分析是三维瞬态温度场问题，计算选取三维实体热单元SOLID70，节点具有3个方向的热传导能力，并能实现匀速热流的传递。同时，空心墩水化热的热传导主要在墩横截面上发生，沿桥墩纵向温差很小，故分析截取单位高度1m的空心墩进行建模。本文，笔者根据空心墩实际尺寸进行建模，共划分单元数19 200、节点数23 496。图1为分析段的空心墩有限元模型。

3.温度场参数处理。空心墩表面与大气环境进行着热对流，属于热分析中第三类边界条件，需要确定环境温度的变化。环境温度的确定可以采用正弦或者余弦公式来表示，分析中，采用了如下公式：

式中，T为气温（℃）；Ta为日平均气温（℃），可取日最高气温与最低气温的平均值；Aa为气温日变化幅度（℃），可取最高气温与最低气温差值的一半；τ为时间（h）；τ0为气温最高的时间（h）。

混凝土设计标号为C50，实际施工配合比见表2。

表 2 C50混凝土施工配合比

由朱伯芳所著《大体积混凝土温度应力与温度控制》及混凝土各组成部分的含量估算混凝土热学性能。本工程所采用的混凝土配合比为每立方米混凝土材料用量见表2。笔者采用加权平均法对混凝土热学性能参数进行估算，得热传导系数λ=9.22 [kJ/（m·h·℃）]，比热容c=0.898kJ/（kg·℃）。

4.模型荷载施加及其分析。ANSYS软件中的水化热模拟是通过生热率来施加的。生热率就是单位时间内混凝土的生热量，即所产生的热量对时间的导数。在分析过程中，将热生成率作为体荷载施加于模型上，按照龄期的增长将荷载循环施加。考虑将计算时间设置为216h，即9d时间，与实测时间大致相当。其中，每2h为一荷载步。

笔者对水化热分析进行了简化，假设混凝土灌注过程为瞬时完成，不计算灌注混凝土时间，不考虑混凝土收缩影响，不考虑混凝土的相变问题，混凝土导热系数不变。

三、空心高墩水化热温度场计算结果分析

1.水化热变化时程曲线。对有限元模型进行加载计算，便可得出模型中各节点的水化热时程曲线及水化热期间瞬时温度场，由于空心墩截面对称，选取位于长、短边截面中心的2个节点的水化热时程曲线作为典型代表，见图2，图3。

从图2，图3可以看出，由ANSYS模拟出的主要节点水化热温度在出现最高温度之前迅速增加，之后便相对缓慢下降，最后降至环境温度便随着外界环境温度的变化而变化，其变化形式同外界温度也呈余弦函数形式变化。

2.水化热瞬时温度分布。图4～图6为几个有代表性龄期的水化热瞬时温度分布图。

从图中可以看出，空心墩横截面四边及各角的中心温度为最高，外表面和内表面温度最低，这是由于短边横截面比长边横截面宽，水化产生的热量不容易散发。水化热前期，空心墩内部高温面积较大，只是表面由于环境温度影响温度相对较低，随着水化进程的发展，内部高温面积越来越小，截面中心温度较高，随着水化反应结束，内部温度基本稳定，外表面温度随着环境温度变化而有所变化。

3.计算与实测数据对比分析。计算结果及实测数据对比见图7。

从图7可以看出，水化热理论计算温度与实测温度变化均经过了温度上升和下降段，其中温度上升阶段发展较快，在达到峰值温度后缓慢下降，并最终与环境温度相当，环境温度一直按照余弦规律变化；考虑掺加粉煤灰和减水剂的作用后，混凝土水化热峰值温度明显降低，并且水化热峰值温度出现的时间延缓，这说明它们起到了缓凝效应。