预制混凝土箱梁水化热温度场数值分析.pdf

2 0 1 5年第 9 期 9月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRE r E AND CEMENT PRODUCTS 2 0l 5 No 9 Se p t e mbe r 预制混凝土箱梁水化热温度场数值分析 张益 多 ， 郭义全 ， 张 国云 ( 1 江苏科技大学土木工程与建筑学院， 镇江 2 1 2 0 0 0 ； 2 中交第二航务工程局有限公司 ， 武汉 4 3 0 0 4 0 ) 摘要 ： 预制 箱梁混凝土水化热产 生的温度 裂缝问题是 目前 工程界 尚未完全解决的 问题。本文 以哈 大高铁预 应 力混凝土箱 粱的预制 工程为 背景 通过 A NS YS有 限元分析软件 基 于三维非稳态 温度场理论对跨 度 3 2 m 顸制 箱梁 水化热温度场进行 有限元模拟 ， 并将有限元分析结果 与现场 实测数据进行对比。 研 究结果表明， 采用数值分析的方法 可 以 较 为 真 实 地模 拟 混凝 土 水化 热 温度 场 。本 文 所 研 究 的成 果 可 为 大 型 混 凝 土 箱 梁预 制 过 程 的 温 度 监 控 、 防 止 温 度 裂缝产生提供 一定的理论依据 。 关键词 ： 箱梁； 水化热 ； 温度场 ； 有限元 ； 数值分析 Ab s t r a c t ： T h e h y d r a t i o n h e a t t e mp e r a t u r e c r a c k p r o b l e m o f p r e c a s t b o x g i r d e r c o n c r e t e i s a n e n g i n e e r i n g p r o b l e m wh i c i h h a s n o t y e t b e e n c o mp l e t e l y s o l v e Ba s e d o n t h e p r e c a s t c o n s t r u c t i o n o f Ha r b i n - Da l i a n h i g h - s p e e d r a i l p r e s t r e s s e d c o n c r e t e b o x g i r d e r a n d t h e the o r y o f t h r e e - d i me n s i o n a l u n s t e a d y t e mp e r a t u r e f i e l d ， t h e h y d r a t i o n h e a t t e mp e r a t u r e fi e l d o f p r e c a s t c o n c r e t e b o x g i r d e r s wi t h 3 2 m s p a n i s s i mu l a t e d t h r o u 【 g h t h e ANS YS fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s s o f t wa r e a n d t h e fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s r e s u l t s a r e c o mp are d w i th t h e me a s u r e d d a t a T h e r e s u l t s s h o w t h a t u s i n g t h e me t h o d o f n u me r i c a l a n a l y s i s c a n b e mo r e r e a l i s t i c s i mu l a t i o n o f c o n c r e t e h y d r a t i o n h e a t t e mp e r a t u r e fi e l d ， a n d t h i s a r t i c l e r e s e a r c h r e s u l t s c a n p r o v i d e a t h e o r e t i c a l b a s i s f o r l a r g e p r e c a s t c o n c r e t e b o x g i r d e r t e mp e r a t u r e mo n i t o r i n g o f t h e p r o c e s s a n d p r e v e n t i n g t e mp e r a t u r e c r a c k s Ke y wo r d s ：B o x g i rd e r ； Hy 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 ； F i n i t e e l e me n t ； Nu me ric a l a n a l y s i s 中图 书 分 类 号 ： TU5 2 8 7 9 文献 标 识 码 ： A 文 章 编 号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7( 2 01 5) 0 9 4 4 0 4 0前 言 混凝 土在凝结硬化 的过程 中会产 生大量 的水 化热 ，但 由于其导热性能较差， 从而导致热量不容 易散发而在混凝土中不断积蓄， 同时在外界环境温 度较低 的情况下 ， 就会使混凝土构件 内外部温差过 大 。 由此 引 发 内部 变形 不 均 匀 ， 并 导 致 混 凝 土 构 件 产生温度裂缝 ， 给构件 的使用及安全带来隐患 。 针对 上 述 问 题 O z y i l d i r i m 等【 】 基 于试 验 室 内和 预应力混凝土梁厂的对比试验 ， 认为恰 当的温控措 施可避免混凝土产生温度裂缝 ， 且能增强箱梁的早 期强度。 My e r s 和 C a r r a s q u i l l o 2 对箱梁截面的研究结 果表 明 ， 如果混凝土的截面过于厚实 。 那么水化热 产 生 过 高 的 温度 会 对 混凝 土所 有 特 性 产 生 不 利 影 响。杨孟刚等f 3 1 通过现场采集数据 ， 对秦沈客运专 线 2 4 m、 3 2 m箱梁高性能混凝土水化热放 热规律和 温度分布情况进行了研究 ， 并提 出了降低水化热温 度 的措施 ， 但对于箱梁温度场分布还并没有进行 系 统 的研究 。 尽 管 国 内外 学 者 在 混凝 土 箱 梁 水 化 热 温 度 场 的研究方 面作了大量的工作 ， 但是由于影响混凝土 基金项 目： 住建部科技计划项 目( 2 0 1 3 一 k 4 2 6 ) 。 一 4 4一 箱梁温度场的因素较多，造成 了研究工作上的很大 困难 ， 仍存在 较多问题 没有很好 的解决 ， 如混凝土 箱梁温度场的观i 见 0 、混凝土箱梁温度裂缝控制 、 影 响箱梁温度场分布的主要因素等问题 。 对于大型预制混凝土箱梁而言 ， 如何有效监控 及预 防由水化热效应导致 的混凝土早期开裂显得 尤为重要 。为此本文结合哈大高铁箱梁预制工程 ， 运 用 A N S Y S有 限元 软 件对 混 凝 土 箱梁 水 化 热 温度 场进行 了模拟 ， 并通过现场实测方法对跨度 3 2 m预 制箱梁水化热温度场进行 了研究。 1 工程 背景 哈大高铁工程道里制梁场( 梁场编号 3 o # ) ， 位 于哈尔 滨市 道里 区榆 树镇 。梁场 布置 在新 建 哈大 客 运 专线 主 线 D K 9 0 9 + 7 2 2 D K 9 1 0 + 2 7 9左侧 ，梁 场 占 地 面积 约 为 1 8 5 3 3 3 m ， 主 要 承担 主 线 5 3 0孔 双 线简 支箱形梁预制架设任务 ，其中， 5 1 9孔 3 2 m箱梁 ， l l 孑 L 2 4 m 箱 梁 。 单 榀 3 2 m 预 制 箱 梁 混 凝 土 量 为 3 2 1 9 m ，自重 8 2 2 9 t 。 3 2 m 箱梁 采用 单箱 单 室截 面 ， 桥顶面宽 1 2 m ，底宽 5 m，主梁中心线梁高 3 0 5 m。 梁体跨 中及支 座截 面如图 1 所示 ， 其 中， 左侧为跨 中截面 ， 右侧为支座截面。 张益多， 郭义全 ， 张国云 预制混凝土箱梁水化热温度场数值分析 图 1 箱梁截面 图 梁体混凝土的设计等级为 C 5 0 ，采用高性能混 凝土 其施工配合 比为水泥： 中粗砂： 碎石： 粉煤灰： 矿 粉： 外加剂： 水= 3 3 8 ： 6 9 0 ： 1 0 6 6 ： 5 8 ： 8 7 ： 4 8 ： 1 2 1 。箱梁预 制外模采用 整体钢模板 ， 内模为全液压式 内模 ， 采 用整体联结和吊装 、 整体脱模牵出梁体的方案。预 7 9 1 3 1 广一 一 4 6 l=二=： =：二= 1 2 8 1 0 1 4 2 图 2测温点平面布置示意图 应力筋 采用 高强度 低松 弛钢 绞 线 ， 锚 固采用 自锚式 体 系 ， 管道 形成采用抽拔棒成孔 ，孔道压浆 采用真空辅助压浆工艺。 2水化 热温 度监 测及 测点 布置 为监测预制混凝土箱梁水化 热分 布情 况 ，本 文 在混凝 土 箱梁 内埋设温度传感器 ，利用计算机 监测记 录混凝土 内部温度变化 从而得到混凝土箱梁水化热温度场数据。此外 ， 同 时监测 了相 同条件下三榀混凝土箱梁 的温度场数 据 然后根据采集到的数据研究混凝土水化热温度 变化规律 ， 从而为后续箱梁预制提供技术保证。测 点布置如图 2 、 图 3所示 。 7 ( 9 ) 3混凝 土水 化热 温度 场计 算原 理 3 1 热传导方程 混凝土浇筑后在水泥水化热作用下 。 可以看作 具有 内部热源强度 、 瞬态温度场 的连续介质 ， 故可 对其进行瞬态温度场分析。热传导规律可用热传导 方程 描述。推导热传导方程 时， 从结构内的任意 一 点切出一微分体 通过微分体的热平衡条件建立 以下 方程 ： ： + + l+ ( 1 ) o a a ) ，a z a 式 中： 为导温 系数 ， o = Mc p ， r n ； p为材料 密 度 ， k g m ； c为材料 比热容 ， J ( k g o C) ； A为热传 导系 数 ， W ( m k ) ； 为混凝土绝热温升， 为； 为时间， s 。 3 2 初始条件和边界条件 通 常情况下 假定初始条件下混凝土 的温度分 布是均匀 的 在此取箱梁浇注时的初始温度 ， 即混 凝土的人模温度为 2 0 。对于本文而言 ， 由于外部 和内部为空气对流热交换边界 。 均属 于第三类边界 条件 。第三类边界条件是假设经过混凝土表面的热 流量与混凝土 的表面温度 和气 温 之差成正 比 关 系 即 ： ， 导 蛙 鲽 4 ( 6 ) 。 。 _ 。 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。 。 O O O O O O ) o o 厂 o o 0 o| 0 | 图 3 测温 点立 面布置示 意图 一 ( T - T o ) ( 2 ) o 凡 式中： JB为表面放热系数 ， k J ( m 2 h ) 。 3 3 瞬态温度场的数值计算原理 水化热 温度场 问题可 以归结 为以下偏微分方 程的定解 问题 ： = (誓+ 十 誓)+ 孥 ：0 ， l T o ( x , y ,z ) ( 3 ) 一 =B( T - L) 0 n 将求解域划分为有限个单元 。 单元 内任一点 的 温度变化率用形函数插值表示为： T 。 ( y ) = N ( 4 ) 等= ( 5 ) 式中： e = t at 。 经推导可得计算温度场 的矩阵方程为： 肌 署 ) f ) Q Q 】 ( 6) 式中， H、 P和 Q的元素分别 由相关单元 的结点 一 45 张益多 ， 郭义全， 张 国云 预制混凝土箱梁水化热温度场数值分析 5 5 5 0 4 5 4 0 越 3 5 赠 3 O 2 5 2 0 1 5 1 0 时间， l 图 6实测混凝土箱梁各测点温度变化 曲线 度 随混凝 土龄期 历经升温 、 降温两个 阶段 ， 温度达 到最大值后开始缓慢降温。由各测点温度曲线可以 看 出， 箱梁芯部温度最高 ， 积聚了大量热量。由于此 处混凝土较厚 。 水化热量 大且积聚的热量难以很快 散 失 ， 所 以 ， 此 处 必须 加 强 养护 ， 是 温 度 控 制 的关 键 部位。 测点 7和测点 3的温度实测值 与理论值分别 如 图 7 、 图 8所示 。 赠 赠 时间 l l 图 7 测点 7实测值 与理论值温度 曲线 时 间 I l 图 8 测点 3实测值与理论值温度 曲线 由图 7 、 图 8可知 ， 通过有限元模拟箱梁水化热 温度场 ， 对 比模 拟值与实测值 发现 ， 跨 中截 面梁理 论值与实测值存在一定误差 ， 但是误差不大 ， 实测 的温度场分布规律与计算结果 的温升温降趋势基 本 一 致 模 拟 工 况 与 实 际情 况 相 符 所 以可 以利用 A N S Y S模拟混凝 土水化热并且能够反映 出较为真 实 的水化热温度场。 6结论 ( 1 ) 合理选择混凝土各项性能参数 ， 利用 A N S Y S 有 限元分析软件对混凝土箱梁进行瞬态热分析 通 过与实测数据的对 比， 可知实测 的温度分布规律与 计算结果基本一致 ，说明计算模型正确 ， A N S Y S能 够较为真实 的反 映出箱梁水化热温度场 从而可以 为温度控制提供依据 。 ( 2 ) 混凝土所产生 的热量实际上是水泥 由于水 化作用而释放出来 的。 水泥水化放热量 的多少直接 影响到箱梁温度场的大小 。 所 以对于哈大客运专线 箱梁需 降低水化放热量 ，宜合理选用水泥 品种 ， 采 用低水胶比以减小水泥水化热效应。 ( 3 ) 箱梁截面混凝土厚度对水化热温度场有重 要影响 ， 厚度越大使得水化热在其内部大量积聚且 难以散失 ， 从而导致箱梁因内外温差过大而产生裂 缝。因此 ， 针对此现象需对上述部位加强养护措施 以避免因温差过大使得箱梁产生温度裂缝 。 参考文献： 1 】 O z y l i d i ri m C ， G o r me z J R D e s i g n o f Hi g h P e r f o r m a n c e C o n - c r e t e Mi x t u r e s a n d T e s t B e a m s f o r a B ri d g e i n V i r g i n i a C 】 Vi r g i n i a T r a n s p o r t a t i o n Re s e a r c h Co u n e i l Re P o rt No F HWM VA一 9 6 R 2 7 ，1 9 9 6 2 】 My e r s J J ， C a r r a s q u i U o R L I n fl u e n c e o f H y d r a t i o n T e mp e r a - t u r e o n D u r a b i l i t y a n d Me c h a n i c a l P r o p e r t y P e rf o rm a n c e o f P r e s t r e s s e d a n d P r e c a s t H i g h - P e rf o r m a n c e C o n c r e t e B e a ms C F i f t h I n t e rna t i o n a l B r i d g e E n g i n e e ri n g C o n f e r e n c e ， J o u rna l o f t h e T r a n s p o rt a t i o n R e s e a r c h B o a r d ， 2 0 0 0 ( 1 ) ： 1 3 1 - 1 4 2 3 杨孟 刚， 雷加艳， 向敏 混凝土箱形梁水 化热温度场 分析 J 石家庄铁道学院学报， 2 0 0 3 ， 1 6 ( 3 ) i 8 2 8 6 4 杜平安， 于亚婷， 刘 建涛 有 限元法原 理 、 建模及 应用 M】 北 京： 国防工业 出版社 2 0 1 1 5 】 陈忠海， 刘 明福 热 工基 础 M 】 北 京： 中国电力出版社， 2 0 0 8 【 6 6 向敏杨 ， 从娟 高 强混 凝 土水化 放热 规律研 究 J 混凝 土， 2 0 0 3 ( 3 ) 2 7 2 9 【 7 】 叶见曙， 阮静， 钱培舒， 等 混凝土箱梁 的水化热 温度 分析 J 】 桥梁建设。 2 0 0 0 ( 4 ) ： 7 9 8 朱伯芳 大体积 混凝 土温度应力与温度控 制【 M 】 北京： 中国 电力出版社。 1 9 9 9 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 7 2 7 作者简介 ： 张益 多( 1 9 6 9 一 ) ， 男 ， 副教授 。 通讯地址 ： 镇江市 润州 区江苏科技 大学 E -ma i l ： z y a x c z u C F I 47 加 ：2 m