基于ANSYS的桥梁大体积混凝土水化热分析

尹光凯 王建亮

（中电建路桥集团有限公司,北京 100048）

0 引言

随着对桥梁跨越能力要求的不断提高，大体积混凝土结构构件越来越多地出现在桥梁建设中。大体积混凝土断面大、水泥用量多，在施工过程中，水泥水化会释放出大量水化热，但由于构件尺寸大，混凝土导热性能差，热量无法及时排除，产生内外温差，进而导致混凝土构件产生温度裂缝，影响结构的耐久性能。《公路桥涵施工技术规范》规定[1]，大体积混凝土施工时内部最高温度不大于75℃。因此在施工前做好温度场的模拟分析，对桥梁施工时如何采取控制措施有一定的指导意义。基于此，本文应用ANSYS软件[2-5]对箱梁浇筑时的水化热温度场建模，分析箱梁内温度变化规律，提出对箱型梁大体积混凝土施工开裂控制的养护建议。

1 工程概述

某高速铁路施工项目采用悬臂浇筑施工法，预应力箱梁全长145.5m，计算跨度为40m+64m+40m，桥梁宽12.6m，箱梁采用C50混凝土，单箱单室，本文模拟的梁体尺寸见图1所示。

图1 箱梁尺寸示意图

2 大体积混凝土水化热温度场概述

大体积混凝土浇筑后水化放热，可视为具有内部热源强度的连续介质，因此应用瞬态热温度场进行分析[6]。瞬态热分析的过程是利用热平衡条件建立热传导方程，给与特定的初始条件和边界条件进行求解。其热传导方程求解如下：

式中：

Q——单位时间内单位体积的水泥水化产生的热量，kJ/(kg · h)；

∂——导热系数，kJ/(m · h · ℃)；

c——比热，kJ/(kg · ℃)；

ρ——混凝土密度，kg/m3。

绝热条件下，混凝土内部温度上升速度为：

式中：

θ——混凝土绝热温升，kJ/kg。

将式（2）带入式（1），得到热传导方程：

ANSYS软件中的热分析控制方程与混凝土的热传导微分方程相统一，并且瞬态热分析中的有限元方程可经热传导微分方程变分得到。因此可用ANSYS对大体积混凝土的水化传热过程进行分析，ANSYS水化热分析流程如图2所示。

图2 ANSYS水化热分析流程

3 基于ANSYS的无砟轨道箱梁水化热分析

3.1 ANSYS模型建立

本文利用ANSYS瞬态热分析无砟轨道箱梁水化过程，有限元模型采用三维实体模型，三维温度单元采用Solid70。无砟轨道箱梁的水化传热过程主要是沿箱梁横向传热，对纵向的影响较小，因此本文中的箱梁实体模型纵向长度选用单位长度。并且箱梁从几何形状上讲是对称的，相应的其温度荷载和边界条件也是对称的，所以本次模型取箱梁的1/2进行水化热分析，如图3所示。

图3 1/2箱梁模型图

3.2 温度荷载施加

无砟轨道箱梁温度场分析中施加的荷载为混凝土的生热率，即水泥水化产生的热荷载，本文采用的水泥水化热绝热温升表达式如下[7-8]：

式中：

t——龄期，d；

Q(t)——龄期为t时的累计水化热，kJ/kg；

Q0——最终水化热，kJ/kg，常用水泥的水化热量Q0见表1；

表1 常用水泥的水化热量Q0

m——常数，常数m与浇筑温度等相关，具体关系见表2。

表2 常数m随温度变化值

在ANSYS 软件中，采用生热率HGEN 来表示混凝土的绝热温升，根据结构现场的实际情况，将HGEN 作为荷载，根据水化龄期的增长情况施加在箱梁的节段上，箱梁模型的初始温度取浇筑温度25℃。混凝土结构与空气的热对流按照第三类边界条件处理，设置计算时间，利用牛顿拉普拉斯求解，并打开时间积分效应进行瞬态分析。

3.3 无砟轨道箱梁浇筑模拟

本文中无砟轨道箱梁分为两次浇筑，ANSYS软件中可以用单元生死功能来模拟在实际施工中两层混凝土的浇筑。在建立箱梁模型时，已按照浇筑要求，建立了所涉及的所有部分，并赋予了单位类型、材料属性等参数。在浇筑之前，将所有未浇筑混凝土单元撒施，并按照浇筑顺序，激活相应的混凝土单元，设置边界条件及施加相应荷载进行水化热计算。

单元的生死功能并非是在ANSYS软件中将单元删除，而是将相应的单元矩阵乘以一个非常小的缩减因数，缩减因数一般取值1e-6，所以在模拟混凝土浇筑的过程，就是利用缩减因数，将未浇筑的混凝土“杀死”，在浇筑时再重新“复活”这些单元。在模拟中特别注意的是，应将“杀死”的单元的节点自由度进行约束，并在单元激活时将约束删除。

3.4 计算结果及分析

取核心温度区节点，绘制温度时程图，如图4所示。

图4 节点温度时程图

根据ANSYS分析结果，无砟轨道箱梁在混凝土浇筑完成后，温度迅速上升到温度峰值，后随着水化能力的减弱，温度逐渐下降，降温的速率明显小于升温速率。从各时间段温度云图中可知，箱梁内部温度核心区的面积随着时间的推移逐渐变小，这是由于箱梁结构中心位置水化热很难散发，大量的热量集中在结构中心位置，当水化放热的速率慢慢低于混凝土传热的速率后，核心区的面积会逐渐减小。从箱梁节点温度时程图可知，最高温度出现在浇筑后第12d，核心区峰值温度为59.7℃，根据《大体积混凝土施工标准》的要求，大体积混凝土内部温度不大于75℃，所以此次箱梁的施工符合规范的要求。

通过ANSYS分析，得到箱梁在不同时间段下的温度场分布云图，本文中给出部分时间温度场云图，如图5所示。

图5 箱梁温度云图

4 结束语

通过对无砟轨道箱梁的模拟分析，得出以下结论：

（1）无砟轨道箱梁控制水化热的施工方法、方式满足规范的要求。

（2）在实际施工中，除了正确的施工方法外，可通过降低水泥的使用用量、添加适当的可降低水化热的外加剂、降低混凝土入模温度以及加强箱梁的早期养护等措施，最大限度地防止箱梁早期开裂。