连续刚构桥大体积混凝土承台温度场仿真分析

陈 浩，李小龙，尹治国

(1.交通运输部公路科学研究院，北京 100088；2.孝感市公路管理局，湖北 孝感 432000)

1 基于有限元理论的数值仿真理论

目前大体积混凝土温度场计算一般采用近似公式法和图表法，其计算方法简单，但不能考虑各种复杂的材料特性、边界条件和施工方法。计算中的假定太多不符合工程实际情况，不能推算混凝土内部温度场分布等。基于有限元理论的数值仿真技术则克服了以上缺点，能够较准确地反映工程中的各种复杂情况。

根据求解空间不稳定温度场的有限元法原理，其热传导微分方程为：

式中： λx、λy、λz分别为 x、y、z方向的导热系数；T为微分体处的温度；c为比热；ρ为容重。

第一类边界条件：固体表面温度是时间的已知函数。

第二类边界条件：固体表面的热流量是时间的已知函数。

第三类边界条件：固体表面的热流密度与固体表面温度和流体温度之差成正比。

在空间域用有限单元离散，在时间域用差分法离散，且假设混凝土各向同性，得到：

2 工程实例

花溪特大桥跨越花溪大道及花溪河，该桥主桥为预应力混凝土变截面连续刚构桥。主桥2#承台为长方体结构，尺寸为：17m×10.5m×4m，采用C30混凝土，混凝土方量为714m3。为减少水化热对混凝土的影响，采用内部布设4层冷却管通水的方法。单层冷却水管的具体布置如图1所示。

图1 承台冷却管布置图（单位：cm）

承台浇筑完成后2h开始对温度数据进行现场采集。根据承台的对称性，选择承台的1/4预埋温度传感器进行温度监测。温度测点具体布置如图2、图3所示。

图2 承台温度传感器布置平面图（单位：cm）

图3 承台温度传感器布置立面图（单位：cm）

本文选取承台中心和1/4处部分有代表性的测点进行分析，数据采集部分结果如表1所示。

表1 选定测点实测温度数据表

由表1可知，选取的各测点升温速率较快，降温速率较慢。0～54h为升温阶段，随后温度平稳下降，最高温度出现在I2测点浇筑完34h，温度为61.07℃。各测点的综合温升峰值出现在浇筑完54h左右，240h后温度降至平稳值。

3 温度场有限元分析

采用MIDAS/Civil结构计算软件中的水化热模块作为分析基础，模型采用17m×10.5m×4m的承台和31m×20.5m×5m的基岩。单元的划分主要考虑冷却水管、测点及计算的精度等因素，均采用8节点6面体单元。计算参数设置如下：

（1）计算气温曲线取正弦函数分布，最高温度取21.0℃，最低温度取11.0℃；

（2）冷却水管采用27mm的薄壁钢管，冷却水温度取为18～20℃，流量为1.8m3/h，通水时间为4d；

（3）采用C30混凝土，混凝土设计配合比中水泥为378kg/m3，粉煤灰为92kg/m3，折减系数取0.25；

（4）混凝土和基岩的导温系数、对流系数等按有关规范和经验取值；

（5）模型共划分为5 150个8节点实体单元，共有4层冷却水管，布置和冷却水流向如图4所示，浇筑后72h承台内部温度分布如图5所示。

图4 承台内部冷却水管布置模型

图5 浇筑后72h温度分布模型

由图4可看出，若无冷却水的作用，最高温升应该发生在承台的中心，但由于承台中部为冷却水管的入水口，其温度的分布受到冷却水的影响，最高温度区域未出现在承台中心。承台内部温度分布符合通冷却水影响下混凝土内部温度分布的一般规律。

4 实测数据与计算数据的对比分析

为了给大体积混凝土浇筑时合理选取温度监控方案提供相应的理论支持，选定G3和I2测点的实测数据与仿真计算数据进行对比分析，具体实测值与理论值的对比如表2所示。

表2 温度随时间变化的实测值与理论值比较

由表2可以看出，理论温度变化趋势整体上与实测温度变化趋势一致，两者在数值上存在差异，实测值相对于理论值偏高，造成这一差异的原因有以下几点：

（1）进行仿真分析时冷却水的温度和通水流量近似简化为恒定，而实际上冷却水的温度在不断变化，其通水量也受到了施工因素的影响；

（2）混凝土和基岩的对流系数、热传导率和比热是根据经验数值计算得到的，和真实的参数有所不同；

（3）实际气温随着时间在不停地变化，在进行仿真分析时，将其近似简化为按正弦曲线变化；

（4）实际测点的位置和理论分析时所选取的节点位置存在着一定的差异。

5 结语

本文采用MIDAS/Civil结构计算软件中的水化热模块对花溪特大桥2#承台进行温度场仿真分析，并将计算结果与温度监控时的实测数据进行对比分析，发现计算数据与实测数据存在一定差异，但温度变化规律基本一致。在大体积混凝土施工前，有必要进行仿真分析，更好地掌握温度发展规律，确定合理的温度控制方案，从而更有效地指导施工。

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