基于有限元的拱梁组合结构0号块水化热分析研究

(1.重庆交通大学 重庆 400074；2.中铁十二局集团第七工程有限公司 湖南 长沙 410004)

拱梁组合连续梁桥的0号块体积较大，属于典型的大体量异型混凝土结构。0号块在浇筑初期，伴随有水化热现象，产生的温度应力可能导致混凝土开裂，对结构受力和耐久性不利。特别是拱梁组合结构，其0号块除了常规的箱体外，还包含拱脚混凝土；其整体浇筑质量和受力状态的好坏直接影响全桥安全性和耐久性。

结合某拱梁组合预应力混凝土连续梁桥，根据实测环境温度，浇筑初始温度等条件，运用MIDAS/FEA水化热模块，进行该桥0号块的分析研究，并为后续施工控制提出建议，防止混凝土裂缝的发生。

一、工程概况

该桥采用预应力混凝土连续梁桥与钢管拱组合结构，计算跨度为(100+200+100)m。主梁采用单箱双室、变截面结构：支座处梁高6m，桥墩处梁高12m；箱梁顶宽14.2m，底宽12m。拱肋计算跨度200m，设计矢高40m，矢跨比1/5；采用钢管混凝土哑铃型拱形结构，拱管直径1.2m，高3.2m。

二、拱梁组合结构0号块分析

(一)有限元模型的建立

利用该桥0号块结构的对称性，运用MIDAS/FEA建立了0号块1/2模型，如图2.1所示。局部模型采用实体单元模拟，预应力采用线单元模拟，并进行网格划分；热源荷载为C60混凝土，传导率2.7W/(m·℃)，比热970J·g/N/℃；边界条件为：钢模板对流边界、空气对流边界(对流系数：钢模板为14W/(m2·℃)，空气为13W/(m2·℃))，对称边界和固定边界；环境温度为20℃；水泥浇筑温度为20℃，水泥密度为280kg/m3。另设置A-A截面中6个测点为模型理论温度测量点，测点布置如图2.2所示。

(二)水化热数据分析

根据MIDAS/FEA模型模拟0号块30天水化热过程，得到实体模型中6个测点的温度变化曲线，如图2.3所示。

图2.3 6个测点理论温度值

根据图2.3，可以得出0号块开始浇筑时，温度在20℃左右；2～3天，达到最高温61℃左右；5～7天，结构开始降温；30天左右，0号块与外界温差低于20℃，基本不会产生较大温度应力，结构偏于安全。其中测点1～4离外侧钢模板较近，与外界温度交换较快，所以降温较快；同理，测点5、6处于0号块内部，与外界温度交换较慢，降温也较慢。降温曲线受对流系数的影响，钢模板对流系数较大(即降温段曲线斜率K较大)，因此测点1～4降温速率大于测点5、6。

(三)后续施工控制研究

(1)降低混凝土的出机温度和浇筑温度

对于大体积异型混凝土结构，需要充分重视水化热升温或降温时产生的温度应力对裂缝产生的影响。施工时，可采取适当措施降低混凝土搅拌温度和浇筑温度。

(2)养护技术

对0号块的外表面采用覆盖油脂麻袋、棉被等方法，不仅可以减缓大体积混凝土表面热量与外界交换的速率，防止混凝土内外温差过高，产生裂缝；还能够降低混凝土表面温度梯度，使水泥完全水化，增加混凝土的极限拉伸量。根据温度曲线，在0号块内外温差较大时，需要“外包”养护；当内外温差逐渐变小时，则可以撤除覆盖层，使其自然降温。

(3)控制拆模时间

大体积异型混凝土拆模时，应该考虑混凝土外界温度、混凝土水化情况等条件，且使混凝土的强度正常增长，防止其表面出现裂缝。

三、结论

(1)运用MIDAS/FEA能较好模拟异型0号块的水化热分析，对测点的布置和后续施工控制有一定指导作用，并对结构水化热的影响有一定认识。

(2)0号块外侧测点，对流系数较大，降温较快；内部测点，对流系数小，降温较慢。

(3)通过降低混凝土初始温度、水化热过程温差和控制拆模时间等方法，控制混凝土内外温差，防止因温度应力过大，导致混凝土开裂的情况。