京雄城际铁路梁体养护温度智能监测方案研究

马 珍

（中铁十九局集团第一工程有限公司，辽宁辽阳 111000）

京雄城际铁路是疏解北京非首都功能的重要通道，同时也是京津冀协同发展的历史性工程。京雄城际铁路固安特大桥转体连续梁工程为重要的控制性工程之一，因工期紧、任务重，连续梁A0#段需进入冬季施工。通过采用有限元模型分析，结合施工实时温度监测方法，保证了施工过程的安全性，施工质量符合精品工程要求。

1 工程概况

京雄城际铁路固安特大桥位于河北省廊坊市固安县境内，该地区属于暖温带亚湿润大陆性季风气候，四季变化明显。冬季寒冷干燥、少雨雪、多偏北风，年平均气温为11.9℃，最冷月份为1 月，月平均气温为-6.7℃，该地区1 月环境温度变化情况如图1 所示。

京雄城际铁路固安特大桥在DK54+894.5 ～DK55 +168.5 处采用72 m + 128 m + 72 m 连续梁跨越廊涿高速公路，公路既有路面宽27 m，规划路面宽50 m，公路与京雄城际铁路交叉角度为45°19′，立交要求为50 m×5.5 m（净宽×净高），交叉处高速公路里程为K44 +254。

桥梁采用变截面单箱单室连续箱梁结构，在廊涿高速公路两侧旁位支架现浇，桥梁转体长度为135.85 m，转角39.5°。在27#、28#主墩墩顶与梁底之间设置转体结构体系，在26#、29#边墩侧设置牵引滑道系统。A0#段长38 m、宽12.6 m、高9.6 m，如图2 所示。

图1 固安地区1 月环境温度变化情况

2 连续梁加热养护有限元模型

2.1 模型设置

采用ANSYS 大型有限元软件进行瞬态热力学分析，初始模型构建如图3 所示。模型包括外层的玻璃纤维棉被模型、内部钢筋混凝土箱梁模型、内部空气模型、蒸汽喷口模型。各构件均采用三维热分析SOLID 70 六截面8 节点单元。有限元模型采用50 mm 厚玻璃纤维被包裹空间进行分析，外壁持续施加-10℃温度，其他构件初始温度设定为5℃。对于蒸汽喷口，根据上述热力学计算结果，以热流密度形式加到蒸汽喷口单元，为分析模型持续输出热量。分析总时长为24 h，计算步长为0.5 h。

图2 连续梁A0#段示意图

图3 有限元模型及网格划分

2.2 连续梁温度变化分析

选取模拟连续梁蒸汽养护1 h、6 h 和 24 h 的温度云图可以看出：①加热1 h，温度在保温棚内部形成较为均匀的分布，但整体内部温度较低，尚未满足要求；② 经过继续加热，养护棚内温度逐渐升高，至6 h，棚内整体温度可达8℃以上；③加热24 h，温度可达20℃以上。混凝土梁在考虑水化热影响的情况下，强度随着内部温度升高逐渐提升。在此情况下，根据混凝土通常养护条件，14 天龄期内强度可以达到设计强度的75%以上，具体温度变化如图4 所示。

2.3 典型点温度变化分析

根据上述连续梁蒸汽加热养护后整体温度变化情况，选取连续梁内部及外部3 个模型典型点进行具体分析，典型点位置如图5 所示。混凝土梁暖棚内部最高温度为8℃，外部温度在6 h 以后可以达到10℃以上，满足养护需求。具体施工时，如果发现箱梁内部温度确实远低于外部，可以考虑采用增加1 条蒸汽管道搁置于箱梁内部，以减小内外温度差，降低温度应力的不利影响。

连续梁沿纵向的3 条模拟路径如图6 所示，通过分析3 条路径上点的温度分布情况，从而确定温度分布是否均匀。可见连续梁上翼缘温度较高，沿纵向分布差异不大，连续梁内部路径2 和路径3 温度相对较低，温度差异不显著。因此，蒸汽喷射点布置位置并未引起箱梁上混凝土沿纵向的温度差异。

图4 连续梁A0#段加热温度云图（单位：℃）

3 暖棚搭设及蒸汽管道布置

本研究采用三维有限元软件进行建模计算，采用三维Beam188 实体单元，建立脚手架杆件体系模型。严格执行《建筑施工脚手架安全技术统一标准》（GB 51210-2016）要求。脚手架搭设三维有限元模型如图7 所示。

图5 箱梁模型典型点与温度变化

图6 箱梁模型纵向路径与温度变化

沿支架内侧及保温棚架顶部绑扎玻璃丝棉保温被，形成1 个长40.5 m、宽18.6 m、高19.8 m 的封闭保温棚，根据上述尺寸，分析过程中考虑保温棚的长度为42 m，宽度为18.7 m，最高点高度为21 m。暖棚内主管道布置4 排，横向间距为3.35 m + 3 m + 6 m + 3 m + 3.35 m。养护段箱梁长度为42 m，纵向间距4.2 m 设置支管及蒸汽排放口，即每根主管布置10 个排气口，总计为40 个。暖棚搭设及蒸汽管道布置如图8、图9 所示。

图7 脚手架搭设三维有限元模型

图8 养护棚搭布置图 （单位：m）

图9 蒸汽管道平面布置图 （单位：mm）

4 智能温度监测方案

为响应智能京雄建造理念，本工程采用温度传感器并配套无线数据传输发射设备，运用自动化监测手段对温度变化进行实时监测。无线数据传输模块是由无线数据传输终端和无线数据传输主机组成，依靠成熟的通用分组无线服务（GPRS）/全球移动通信系统（GSM）网络，在网络覆盖区域内可以快速组建数据通信，实现实时远程数据传输。智能温度监测系统具备如下特点：①系统结构紧凑，安装方便，可快速安装部署；②采集的数据实时无线传输至云端，保证了数据的及时和准确性；③数字信号传输避免了电缆带来的测量噪声，测量精度高、抗干扰能力强；④简捷易用的项目级数据云平台能够提供数据存储、计算分析、在线预警等数据服务。

在京雄城际铁路固安特大桥连续梁A0#段内，根据热工计算及温度分析，在温度变化较大的位置布置温度传感器，如图10 所示。温度监测布置点如下：每个T型结构2 个监测截面，每个截面4 个测点，分别布置于连续梁顶部、内箱底部及翼缘板左右各1 个点位，共计测点总数16 个。

图10 温度传感器布置图

在混凝土浇筑前后及养护阶段，对温度变化实时监测，每10 min 采样1 次，系统自动进行阀值判断，一旦超出设定的正常范围，自动发送报警短信。针对温度变化情况，适时调整防寒保温措施。

智能温度监测系统可分析蒸汽养护的5 个阶段，即静停阶段、升温阶段、恒温阶段、降温阶段与自然养护阶段，可绘制出环境温度及养护温度变化时程曲线，如图11 所示，实现了关键监测部位实时不间断监测。

图11 温度变化的时程曲线图

5 结语

在京雄城际铁路跨廊涿高速72 m + 128 m + 72 m 转体支架连续梁A0#段冬期施工中，通过有限元模型分析对保温方案进行设计，应用智能温度监控系统对混凝土施工养护全过程进行实时监控，从而解决了混凝土冬期施工强度提升慢及水化热损失快的问题，为混凝土早期强度的增长提供了保障，提升了连续梁A0#段冬期施工质量，推动了智能建造及信息化等方面的结合应用，并为同类工程提供参考。