斜拉桥π形混凝土主梁水化热温度场分析

喻 桥, 董必昌, 杨吉新

(武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430063)

0 引 言

随着混凝土斜拉桥的不断发展，为了减小主梁自重、增大桥梁跨径，π形混凝土主梁在斜拉桥中应用越来越多，为了满足结构整体刚度和斜拉索锚固需求，这种π形主梁一般采用横截面尺寸较大的双主肋形式。《大体积混凝土施工标准》(GB 50496-2018)[1]里对大体积混凝土的定义是:结构最小几何尺寸大于或等于1 m的混凝土实体结构，或混凝土水化反应引起的温度变化和收缩可能会产生有害裂缝的混凝土结构，而大多数π形主梁的主肋最小尺寸都满足大体积混凝土的定义，根据多数研究发现[2-8]，混凝土桥梁在施工过程中出现的早期裂缝多数是由水化热作用导致结构温度变化而引起的，所以在混凝土养护期间水化热反应不容忽视，由其引起的结构温度场变化情况也是非常值得关注和研究的。

基于上述背景，本文以某一实际施工过程中的斜拉桥π形主梁为研究对象，通过建立主梁节段三维实体模型，分析其水化热过程中的温度场分布与变化情况。对温度场的分析结果可为同类型桥梁混凝土养护期间结构受力分析提供一定的参考，同时施工过程中可根据温度场分析结果有针对性地采取相应的防裂措施，提高施工质量和结构的安全性。

1 桥梁概况

某混凝土斜拉桥主桥为“剑梭”形非对称独塔双索面混凝土斜拉桥，主桥跨径布置为(90+120) m。主梁标准断面采用π形式双主肋截面(图1)，两主肋中心横向间距与斜拉索中心相同，都为26.0 m，主肋宽2.0 m，高2.6 m。桥面总宽35.2 m，两主肋内侧面间距为24.0 m，主肋外侧面翼缘板长3.75 m；翼缘板最外侧厚0.25 m，和主肋相连处厚0.5 m，渐变段长2.5 m；翼缘板下放挑梁厚0.4 m，标准间距为6.0 m；主肋内侧间桥面板中心厚0.3 m，桥面板在靠近主肋处厚0.5 m，渐变加厚段长2.5 m。

图1 主梁标准断面图(单位：m)

2 建立有限元模型

2.1 参数的确定

为了准确建模计算分析该桥π形主梁水化热过程中温度场情况，在建立有限元三维实体模型时要尽可能使各种参数基本和实际施工情况一致，该桥主梁采用C55混凝土，其详细配合比见表1。

表1 C55混凝土配合比

该桥主梁采用悬臂施工，两侧及底面采用钢模板，顶面采用1 cm厚的油毛毡覆盖，悬臂端采用木模板，以实际混凝土配合比为基础并结合相关资料得到主梁混凝土的物理、热力学参数及边界对流系数，见表2。

表2 物理及热力学参数

2.2 建立三维实体模型

考虑到该桥结构和施工方式的对称性，本文以桥塔东侧主跨新浇筑的6#节段和其相邻的已浇筑的5#节段为研究对象，并建立这2个节段的三维实体模型，一般水化热反应主要发生在养护期间，该桥实际养护时间为7～10 d，所以水化热分析时间设置为240 h。环境温度、初始温度、固定温度全部取值为20 ℃，有模板约束的表面分别添加垂直表面方向的位移约束。因为分析的主要对象是新浇筑节段，所以这2个节段单元网格划分将采用不同的尺寸，新浇筑节段网格尺寸为0.2 m，已浇筑节段网格尺寸为0.5 m。整个模型共564 417个节点，151 222个单元，三维实体模型如图2所示。

图2 三维实体模型

3 水化热温度场分析

3.1 主肋温度场分析

选取节段中心主肋横截面为研究对象进行分析，为了分析节段中心主肋横截面不同位置温度分布规律，分别沿竖直方向等间距选取10个点，水平方向等级间距选取9个点，竖直方向从上到下依次编号为SⅠ1-1～SⅠ1-10，水平向从左向右依次编号为SⅠ2-1～SⅠ2-9，选取的温度分析点示意图如图3所示。

图3 节段中心主肋横截面温度分析点示意图

(1) 不同位置同时刻温度分布。分别选取混凝土浇筑后8 h、24 h、72 h、240 h节段中心主肋横截面竖直方向和水平方向各点的温度值进行分析，以主肋横截面左下方角点为坐标原点建立坐标系，具体数据如图4所示。

图4 节段中心主肋横截面温度分布图

由图4可知：从混凝土浇筑开始到养护240 h的过程中，主肋截面内温度一直呈现中心高四周低的状态，随着水化热过程的进行，内外温度差值先升高后降低，最大温差约为45 ℃，大概出现在72 h前后；竖直方向的温度分布并不像水平方向一样对称分布，主肋上缘温度在整个过程中一直高于下缘，且上下缘的温差也是先增后减，最大温差约38 ℃，也是在养护72 h前后出现的，出现这种现象的原因是上下表面的对流边界不一样，即热对流系数不一样，上表面养护过程中覆盖的是油毛毡，材料导热系数小，具有较好的保温效果，而下表面是直接与钢模板接触，钢材的导热系数较大，热量扩散地较快，所以下表面和环境热对流速率较快，导致下缘表面温度低于上缘表面；同理，主肋左右表面都是钢模板，虽然外侧和内侧分别与翼缘板和横梁相连，但这对对流边界基本无影响，故左右两侧热量扩散情况基本相同，所以温度呈对称分布。

(2) 同一位置不同时刻温度。为了分析节段中心主肋横截面温度变化情况，以图3中的SⅠ1-1、SⅠ1-3、SⅠ1-7、SⅠ1-10、SⅠ2-5、SⅠ2-9温度分析点为研究对象，研究各点从浇筑开始到养护240 h的温度变化情况,如图5所示。现场各阶段施工过程中在主肋中SⅠ1-10、SⅠ2-5相同位置附近埋设了JMZX-3006钢弦应变测试仪，该应变测试仪不仅可以测量结构内应变值，也可以测量结构内部温度值。选取6#节段养护期间主肋温度测量数据和计算值对比分析，如图6所示。

图5 节段中心主肋横截面温度变化图

图6 主肋温度实测值与计算值对比图

从图6中可知：在养护期间，主肋中心温度最高达到75 ℃左右，而边缘最高温度只有35 ℃左右，最高温度并未达到理论上的最大值(环境温度+最大绝热温升)，这是比较符合实际的，因为核心混凝土放热的同时结构也在向环境中传递热量；边缘位置在1 d左右就达到最高温度，随后开始缓慢降温至环境温度，而中心位置差不多2 d才达到最高温度，且在10 d内并未完全降温至环境温度；而且由于中心和边缘位置降温存在时间差，所以在中心温度达到最大值时(2～3 d)内外温差达到最大值，此时表面混凝土开始降温收缩，可能会在结构中产生较大拉应力，这对结构受力是极为不利的。实测值与计算值的最大差值出现在24 h时刻,差值为2.7 ℃，误差为7.6%，满足工程结构计算精度要求，也说明模型计算有较好的准确性。

3.2 翼缘板温度场分析

因为翼缘板最厚处也只有0.5 m，所以在此不详细分析翼缘板横截面内温度分布情况，只选取翼缘板上表面分析其顺桥向和横桥向温度分布情况，翼缘板上表面温度分析点如图7所示，顺桥向依次编号为SⅢ1-1～SⅢ1-6，横桥向依次编号为SⅢ2-1～SⅢ2-5，以翼缘板上表面与主肋交界线为Y轴，悬臂端节段边界线为X轴建立坐标系。

图7 翼缘板温度分析点示意图

(1)同一位置不同时刻温度分布。同样选取混凝土浇筑后8 h、24 h、72 h、240 h节段翼缘板上表面的温度值进行分析，具体数据如图8所示。

图8 翼缘板上表面温度分布图

由图8可知：翼缘板上表面顺桥向温度基本是均匀分布，除了在温度峰值时刻两侧与中间存在3～6 ℃的温差，这和实际顺桥向对流边界条件基本一样也是比较吻合的。而横桥向温度分布就呈现内侧(靠近主肋一侧)高、外侧低的状态，两侧最大温差约30 ℃。两侧存在较大温差主要有两方面的原因，一是两侧对流边界不同，外侧是钢模板，而内侧是主肋部分的混凝土，二者导热系数相差较大；二是主肋体积较大，水化热释放热量多且放热持续时间长，会持续向翼缘板内侧传递热量，使其在相对较长的时间内都保持较高的温度。

(2)同一位置不同时刻温度。选取图7中的SⅢ1-1、SⅢ2-1、SⅢ2-3、SⅢ2-5等4个温度分析点，分析其养护过程中温度变化情况，结果如图9所示。同样在6#节段两侧翼缘板埋设了JMZX-3006钢弦应变测试仪，连续测量了10 d内翼缘板内部温度变化情况，温度实测数据和计算值对比情况如图10所示。

图9 翼缘板上表面温度变化图

图10 翼缘板温度实测值与计算值对比图

分析图9、图10可知：翼缘板上表面在混凝土浇筑24 h内都已达到温度峰值，不同位置达到温度峰值的时间略有差别，中心最高温度约为55 ℃，边缘最高温度为27 ℃左右，除中心区域外，其他位置基本都在3～4 d就已经全部降温至环境温度，这和实际测量得到的数据基本一致，实测数据和计算值最大差值为2.79 ℃，误差为5.7%，再次说明计算结果比较接近实际情况。

3.3 横梁温度场分析

因为横梁横桥向尺寸远大于其他两个方向的尺寸，故可忽略竖向及顺桥向不同位置温度分布的影响，所以在此重点分析横梁横桥向温度分布情况。考虑到横梁结构的对称性，在横梁表面沿横桥向选取5个温度分析点，如图11所示，从左向右依次编号为SⅣ1-1～SⅣ1-5。

图11 横梁表面温度分析点示意图

以上5点温度变化情况见表3。

表3 横梁表面温度分析点温度(单位：℃)

由表3可知：横梁各点中靠近主肋的SⅣ1-1分析点温度峰值为31.96℃，其温度峰值是横梁温度分析点中最高的，同时对比横梁中间部分不同位置同一时刻的温度值可以看出，横梁横桥向各点温度变化情况和温度值都基本一样，这就说明横梁中沿横桥向基本不存在温度梯度，而靠近主肋的位置由于主肋水化热的影响导致其温度值略高于其他位置，且这主要体现在降温阶段，结合前面主肋温度分析结果可知，横梁开始降温时主肋还处于升温阶段，主肋产生的热量会传递至横梁两端，使其降温速度减缓。

4 结 论

(1)在混凝土养护期间，主梁整体温度呈现先升后降的变化趋势，但不同的位置温度峰值及变化时间有所不同，其中主肋温度峰值最高，中心最高温度达75 ℃，且主肋开始降温时间相比于翼缘板和横梁要滞后1d左右。

(2)通过对节段中心主肋横截面温度场进行分析可以发现，主肋横截面温度场沿水平方向和竖直方向均存在温度梯度，整体呈现四周低中间高的分布，且顺桥向和横桥向温度梯度并非线性变化；不同的是，沿水平方向温度场对称分布，即左右边缘的温度变化情况基本一致；而竖直方向的温度场并非对称分布，上边缘温度值明显高于同时刻、对应位置下边缘的温度值，存在这种差异的主要原因是上下表面的对流边界不同。

(3)翼缘板上表面温度场也存在温度梯度，但并不是四周低、中心高的分布形式，而是顺桥向基本均匀分布，只是两侧略低于中间位置，横桥向存在明显的温度梯度，呈现内侧高外侧低的分布状态，通过温度变化曲线可知横桥向温度梯度基本是线性变化的。

(4)根据横梁的温度场分析情况,可以认定横梁横桥向除了两端和主肋相交的位置外，其余位置基本不存在温度梯度，也就是说横梁横桥向温度基本是均匀分布的，和主肋温度分布情况对比说明结构尺寸对温度分布情况影响较大。

(5)由于翼缘板和主肋温度变化不同步，所以在翼缘板和主肋相交的地方会产生较大的温差，从而就会在该处产生较大的温度应力，若产生的拉应力超过抗拉强度就会使翼缘板开裂，这对结构受力是极为不利的。