西溪河特大桥钢管混凝土拱肋水化热温度场分析.pdf

36 铁道建筑 Ra i l wa y En g i ne e r i n g 文章 编 号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 6 ) 0 2 0 0 3 6 0 3 西溪河特大桥钢管混凝土拱肋水化热温度场分析 李振标 ( 中铁十八局集 团 第二工程有 限公 司 ， 河北 唐 山0 6 3 0 0 0 ) 摘要 ： 运用有限元软件 A N S Y S对钢管混凝土拱肋水化热过程进行模拟分析 ， 得 出混凝土水化热过程 的 温度 变化规律 ， 在此基础上通过改变钢管的壁厚以及直径 ， 分析 了影 向钢管混凝土水化热的参数。研 究 结果表明： 钢管壁厚对水化热过程温度影响较小， 可以忽略不计 ； 钢管直径对其温度影响显著， 随着直径 的增大， 钢管外表面和核心混凝土温度都 出现 了不同程度 的上升 ， 对核心混凝土的温度影响更为显著； 随着钢管直径的增加 ， 核心混凝土的温度峰值时刻相对滞后 ， 直径每增加 2 0 0 m m， 温度峰值 时刻滞后约 2 5 h。 关键 词 ： 桥 梁施 工 钢 管混 凝 土 水 化 热温度 场 参数敏 感性 数值 分析 中图分类 号 ： U 4 4 8 2 2 2 文献标 识码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 6 0 2 0 8 在混凝土 的水化热作用下， 结构 内外形成 的温差 会 产 生温 度应 力 ， 严 重 时会 导 致 结 构 出 现 裂缝 。在 钢 管混凝 土拱 桥 中 ， 同样 存 在 这 样 的问 题 。在 混 凝 土 灌 筑完成后 ， 水化热作用致使混凝土温度迅速升高， 体积 膨胀 ， 由于钢管的约束 ， 在整个结构内部产生明显的压 应力。随着混凝土温度达到峰值 ， 内部温度逐渐下降， 最终趋于环境温度 ， 此时钢管 内部混凝 土由于温度降 低产生收缩变形 ， 导致钢管与混凝土粘结力下降， 严重 时可能导致钢管混凝土边界处的混凝土发生脱落。 文献 1 运用有限元软件模拟分析 了钢管混凝土 拱桥在不同浇筑温度下拱肋平面二维温度场并对浇筑 完成后 的残余温度应力进行了分析。文献 2 利用有 限元软件建立了钢管混凝土水化热阶段 的计算模 型， 模 拟分 析 了混凝 土 浇筑 完成后 的钢管混 凝 土截 面温 度 变 化 过程 ， 在此 基础 上研 究 了外 界环境 温度 、 含 钢率 对 钢 管混 凝 土水 化热 温度 场 的影 响 。 为了准确地研究钢管混凝土水化热温度场的分布 规律 ， 本文以实际工程为依托 ， 建立钢管混凝土拱肋二 维模型， 在此基础上 ， 模 拟分析 了钢管壁厚 、 钢管直径 对钢管混凝土水化热温度场的影响。 1 工程概况 新建铁路成都至贵 阳线乐山至贵阳段西溪河特大 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 6 0 5 ； 修 回日期 ： 2 0 1 5 1 0 - 2 3 基金项 目： 住建部科学技术项 目( 2 0 1 5 一 K 3 0 2 1 ) ； 天津市 自然科学基金 项 目( 1 3 J C Y B J C 1 9 6 0 0 ) 作者简介 ： 李振标 ( 1 9 7 9 一) ， 男 ， 工程师 。 桥主桥采用 2 4 0 m跨的上承式 x型钢管? 昆凝土提篮 拱 。拱圈由两条拱肋与横 向连接 系构成 ， 拱肋横 向内 倾 7 5 。 ， 拱 趾 处 中 心 距 2 3 1 9 2 IT I ， 拱 顶 拱 肋 中 心 距 8 7 1 m， 主拱在其倾斜平面内拱轴线为悬链线 ， 拱轴系 数 m =2 2 ， 矢 跨 比约 1 4 3 6 4 。拱 肋 高 5 7 m， 宽 3 0 m， 每肋 由 4肢 4 , 1 1 0 0 m n 2 0 mm钢管构成 ， 其 上 、 下 弦各 由两肢 钢 管与其 间的两 块 2 0 n l m厚 钢 板 联 结呈哑铃形 ， 在拱肋的全长上均为等截面。拱肋截面 示 意如 图 1 。 图 1 拱肋截面示意 ( 单位 ： ( 3 m) 2 计算理论 混凝 土 导热 系数 、 钢管 的直 径 以及 壁厚 、 外 界 的温 度条件 、 水泥水化热等因素都会对钢管混凝土结构早 期 的温度产生影响。在 以往研究中 ， 对于钢管混凝土 水化热的描述有 3种 ， 即指数函数形式 、 复合指数函数 形式以及双 曲线 函数形式 。本文计算模 型选用复 合指数函数形式 ， 如式( 1 ) 所示 。 q ( )= q 。 ( 1一e ) ( 1 ) 2 0 1 6年第 2期 李振标 ： 西溪河特大桥钢管混凝土拱肋水化热温度场分析 3 7 式中 ： Q( t ) 为时间 t 时混 凝土水化热 ， k J k g ； Q 。 为混 凝土最终水化热 ， k J k g ； a ， b 为计算参数 ， 对于4 2 5级 普 通硅 酸盐水 泥取 a=0 6 9 ， b =0 5 6 。 根据能量守恒定律， 钢管混凝土 内部温度升高所 吸收的热量等于钢管外表 面吸收辐射、 对流与内部混 凝 土水化 热产 生 的热量 之和 ， 通 过微 分 方 程 式 ( 2 ) ， 式 ( 3 ) 来 表示 。 OT ： f + 粤 + 1 + Q ( 2 ) 一= 一 I 一 + 一 + 一l + J a pa a y O z ， c p Q =q W ( 3 ) 式中： 为 混凝 土 温 度 ， ； 为混 凝 土 导热 系数 ， w ( m K) ； C 为混 凝 土 比热 容 ， J ( k g K) ； p为混 凝 土 密度， k g m ； t 为时间， S ； Q为单位体积钢管混凝土单 位 时间产 生 的热 量 ， J ( m S ) q 为 水 泥 水 化 热 生 成 速率 ， J ( k g S ) ； W 为 单 位 体 积 混 凝 土 水 泥 用 量 ， k g m 。 图 2 各测点温度随时间变化 曲线 两条温度曲线发现 ， 两者温度变化趋势相同， 但钢管外 表面温度 明显 低于核心 混凝土 的温度 ， 最 大温差 约 2 2 ， 呈现 明显 的 内高外 热 的规 律 。 同时 随着 混 凝 土 水 化热 的继续 进 行 ， 两 者温 差逐 渐 缩小 ， 最终 在 5 d左 右水化热过程完成 ， 钢管混凝土整体温度趋于稳定与 外 界环 境温 度相 同 。 3 有 限元模型的建立与结果分析 4 钢管混凝土水化热过程参数敏感性分析 利用 A N S Y S软件对西溪河大桥拱肋水化热过程 建立模型进行分析 ， 选取混凝土灌筑完成 时的温度作 为初始温度 7 1 n 。不考虑沿拱肋长度方 向的温度变化， 即利 用一 个平 面 的二维 瞬态 温度场来 模 拟混凝 土 的水 化热 过程 。 对于边界条件的选取 ， 主要做如下假设 ： 钢管混 凝土处于均匀的温度场中， 不考虑太 阳辐射 、 钢管外表 面与周围空气发生对流所引起 的温度变化 ； 钢管 内 混凝 土与 内壁 接 触 良好 ， 不 考 虑 混 凝 土 脱 空 的影 响 。 同 时钢管 与混凝 土之 间 的接触 通过第 四类 边界 条件 表 述 ， 即钢管 内表 面与 混凝 土之 间温度 相 同 。 模型基本参数如表 1 所示。 表 1 模型基本参数 利用 P L A N E 3 5单元划分拱肋截面， 每个节点只有 一 个温度 自由度。建立钢管混凝土模型时将钢管与混 凝土完 全粘 结 。选取模 型 初始温 度 为 l 5 ， 以混凝 土灌筑完毕为初始 时刻 ， 在仅考虑混凝土的水化热作 用下 ， 以 2 h为荷载步， 按式( 1 ) 施加温度荷载 ， 核心 昆凝土和钢管外表面温度随时间变化曲线见图 2 。 由图 2可以看 出， 混凝土水化热对截面各点温度 影 响显 著 ， 核 心混凝 土在 混凝 土灌 筑 完毕 2 5 h左 右 出 现最 大值 ， 最 高 温 度 6 3 ， 随 后 温 度 下 降 明 显 。对 比 取前文所用模型， 通过改变钢管的厚度和钢管的 直 径分 析其对 混凝 土水 化热 平 面温度 场 的影 响。 选 取钢 管厚 度分 别为 1 8 ， 2 0 ， 2 2 ， 2 4 mm， 分析 结 果 如图3所示。由图 3可 以看 出， 不 同钢管厚度对钢管 外表面和核心混凝土的温度影响都很小。主要是因为 钢 管混 凝 土截面 中混 凝 土 所 占 比例较 大 ， 而 钢 管 相 对 小很多 ， 并且钢材对热量的传递性能较好 ， 当外界温度 发生变化时， 钢管能够迅速传递热量。因此 ， 在进行钢 管 混凝 土水化 热研 究 时可 以忽 略钢管 厚度 的影 响 。 图 3 不同钢管厚度下不同测点温度随时间变化 曲线 选取 钢 管直 径 分 别 为 9 0 0 ， 1 1 0 0， 1 3 0 0 ， 1 5 0 0 m m， 分 析结果 如 图 4所 示 。 由图 4可 以看 出钢 管 直径 的变化对核心混凝土的温度影响显著 ， 同时直径越大 ， 核心混凝土温度达到峰值的时刻就相对滞后 。由数据 可以看出， 直径每增加 2 0 0 mm， 温度峰值时刻滞后约 2 5 h ； 钢管直径越大 ， 钢管混凝土最终稳定时的温度 就越高。这是 因为随着钢管直径 的增加 ， 内部混凝土 3 8 铁道建筑 F e b r u a r y ， 2 0 1 6 图 4 不 同钢管直径下不 同测 点温度随时间变化曲线 的体积增大， 伴随产生的水化热能量也逐渐增加 ， 因而 截面上对应测点 的温度也会相应地增加 。钢管直径由 9 0 0 m i l l 变 为 1 3 0 0 m l i 1 时 ， 温 度增 加约 6 8 。 5 结论 1 ) 钢管混凝土水化热过程 中温度变化规律是 ， 在 混凝土灌筑完成后? 昆凝土 的温度快速升高 ， 达到峰值 后温度逐渐降低 ， 最终趋于环境温度 ， 达到峰值的时刻 约为灌 筑完 成后 2 0 h ， 温度 趋 于稳定 约 为 1 2 0 h 。 2 ) 参数敏感性分析结果表明： 钢管壁厚对水化热 过程温度影响较小 ， 可以忽略不计 ； 钢管直径对其温度 影响显著， 随着直径的增大 ， 钢管外表面和核心混凝土 温度都出现了不同程度的上升 ， 且对核心混凝土的温 度影 响更 为显 著 。 3 ) 随着钢管直径的增加 ， 核心混凝 土的温度峰值 时刻相对滞后 ， 直径每增加 2 0 0 m m， 温度峰值时刻滞 后约 2 5 h 。 参 考 文 献 1 林春姣 ， 郑 皆连 ， 秦荣 钢 管混凝 土拱肋成 型过 程水化 热影 响分析 J 广 西大 学 学 报 (自然 科 学 版 ) ， 2 0 0 7 ， 3 2 ( 2 ) ： l 8 6 1 8 8 2 李永进 ， 陶忠 水化热作用下钢管混凝土 的温度场分析 J 工业建筑 ， 2 0 0 7 ， 3 7 ( 1 2 ) ： 3 5 3 8 3 王友彪 大跨 度 钢管 混凝 土拱 桥 温度 场 及温 度 效 应分 析 D 成都 ： 西南交通大学 ， 2 0 1 3 4 宣纪明 ， 向华伟 ， 芦 可琪 钢管混凝 土拱桥 拱肋水 化热 温度 场和温度应力分析 J 桥梁建设 ， 2 0 1 0 ( 3 ) ： 2 9 3 2 5 H U N T B， C O O K E N T h e r ma l C a l c u l a t i o n s f o r B r i d g e D e s i g n J J o u r n a l o f t h e S t r u c t u r a l D i v i s i o n ， 2 0 1 4 ， 1 0 1 ( 4 ) ： 1 7 6 3 1 7 81 6 1 S C H I N D L E R A K， F O L L I A R D K J He a t o f H y d r a t i o n Mo d e l s f o r C e m e n t i t i o u s Ma t e r i a l s J A C I Ma t e r i a l s J o u r n a l ， 2 0 0 5 ， 1 0 2( 1 )： 2 4 3 3 An a l y s i s o f h y d r a t i o n h e a t t e mp e r a t u r e f i e l d o f c o n c r e t e f i l l e d s t e e l t u bu l a r a r c h r i b o f Xi x i r i v e r s u pe r l a r g e b r i d g e LI Z h e n bi a o ( T h e 2 t h E n g i n e e r i n g C o ， L t d o f t h e 1 8 t h Bu r e a u G r o u p o f C h i n a Ra i l w a y ， T a n g s h a n He b e i 0 6 3 0 0 0， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Th e hy dr a t i on h e a t pr o c e s s of c o nc r e t e f i l l e d s t e e l t u bu l a r a r c h r i b wa s a n a l y z e d b y u s i n g ANS YS s o f t wa r e The t e mpe r a t ur e c ha ng e h i s t o r y wa s s t ud i e d A p a r a m e t r i c a l a na l y s i s wa s p e r f o r m e d， a na l yz i ng t he e f f e c t of tube t h i c k ne s s a n d di a me t e r The r e s ul t s s ho w tha t the e f f e c t o f t ub e thi c kn e s s i s l i t t l e whi l e山e e ff e c t of t ub e di a m e t e r i s s i g ni f i c a n t As t h e d i a m e t e r i n c r e a s e s， t h e t e mpe r a t ur e a t th e o ut e r t ube s ur f a c e a nd t h e c o r e c o nc r e t e i nc r e a s e s ；i n pa r t i c u l a r ， th e t e mpe r a t u r e e f f e c t o n the l a t t e r i s mor e s i gn i f i c a nt Al s o， wi th the i n c r e a s e o f the di a me t e r， t he c o nc r e t e t e mp e r a t ur e p e a k t i me d e l a ys Ev e r y 2 0 0 m m i nc r e a s e of d i a m e t e r l e a d s t o a bo ut 2 5 h t e mpe r a t u r e pe a k l a g Ke y wo r ds ： Br i dg e c o ns t r uc t i o n； Co n c r e t e f i l l e d s t e e l t ub e； Hyd r a t i o n he a t t e mpe r a t ur e f i e l d； Pa r a me t e r s e ns i t i vi t y； Nume r i c a l a n a l ys i s ( 责任审编赵其文)