預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋0號(hào)塊水化熱分析研究

侯 清，黃紹燈，許 晗，向其凱，童 鑫

(浙江交工集團(tuán)股份有限公司,浙江 杭州 310051)

0 引言

在預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋的構(gòu)造中,0號(hào)塊是連接箱梁和柱墩的重要節(jié)段,其在施工過(guò)程中主要承受懸臂結(jié)構(gòu)的負(fù)彎矩,成橋后同樣承擔(dān)由于超靜定結(jié)構(gòu)在支承處產(chǎn)生的負(fù)彎矩,因各階段承擔(dān)的荷載較大,對(duì)結(jié)構(gòu)自身的尺寸也提出更大的要求,加之每一根預(yù)應(yīng)力腹板束、頂板束均需從該節(jié)段穿過(guò),還需在墩頂預(yù)留人孔,導(dǎo)致0號(hào)塊的內(nèi)部、外部結(jié)構(gòu)均十分復(fù)雜。對(duì)于跨徑較大的預(yù)應(yīng)力剛構(gòu)橋,因其0號(hào)塊在各個(gè)階段承擔(dān)的荷載較大,結(jié)構(gòu)尺寸也較大,主梁的材料又采用C50以上標(biāo)號(hào)的混凝土,導(dǎo)致0號(hào)塊澆筑的過(guò)程中容易產(chǎn)生較大的水化熱,結(jié)合0號(hào)塊復(fù)雜結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),容易在尺寸較大的底板、腹板處產(chǎn)生水化熱非結(jié)構(gòu)性裂縫,另外材料的收縮徐變?cè)谠摴?jié)段上的影響也十分明顯[1]。因此需要在施工過(guò)程中,通過(guò)計(jì)算分析掌握0號(hào)塊澆筑過(guò)程中的溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力發(fā)展規(guī)律,以制定更加合理、科學(xué)的水化熱處治措施,優(yōu)化施工工藝,從而確保結(jié)構(gòu)澆筑完成后的質(zhì)量。

1 工程概況

依托于廣西天峨至巴馬高速公路的拉仁2號(hào)高架大橋,橋梁全長(zhǎng)為279 m,采用三跨預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋,拉仁2號(hào)高架大橋立面分別如圖1所示。

該橋上部采用75 m+120 m+75 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu),每幅主梁采用直腹板的單箱單室箱梁。主梁根部斷面圖如圖2所示。主梁0號(hào)塊墩梁連接處底板厚1.7 m,墩間及懸臂部分底板厚0.9 m～1.2 m,底板寬9 m,長(zhǎng)14 m,隸屬于大體積混凝土施工范疇。為確保混凝土施工質(zhì)量,考慮對(duì)0號(hào)塊采取設(shè)置冷卻水管通循環(huán)水冷卻溫控措施[2]。

2 模型建立與相關(guān)參數(shù)選取

2.1 模型相關(guān)參數(shù)選取

Midas FEA是當(dāng)前橋梁結(jié)構(gòu)開(kāi)展實(shí)體分析的大型有限元軟件,能夠進(jìn)行各種非線性計(jì)算分析,通常使用在橋梁的細(xì)部分析、水化熱計(jì)算、裂縫分析、數(shù)值風(fēng)洞中[3]。在本文中,利用該軟件建立拉仁2號(hào)橋0號(hào)塊模型,用以分析在澆筑過(guò)程中0號(hào)塊的溫度場(chǎng)及其溫度應(yīng)力的分布及變化規(guī)律。根據(jù)計(jì)算分析的需求,需要進(jìn)行材料熱力學(xué)參數(shù)的整理。

拉仁2號(hào)大橋主梁采用C55混凝土,采用集中拌制,材料容重為25 kN/m3,材料彈性模量為3.55×104MPa,泊松比為0.2,主梁澆筑擬在夏季進(jìn)行,平均入模溫度20 ℃,整理材料熱力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 拉仁2號(hào)橋0號(hào)塊材料熱力學(xué)參數(shù)

2.2 有限元模型建立

2.2.1 有限元模型建立步驟

根據(jù)拉仁2號(hào)0號(hào)塊結(jié)構(gòu)尺寸,建立三維實(shí)體有限元模型。根據(jù)Midas FEA軟件的計(jì)算分析流程,整理具體建模流程如下:主要建模計(jì)算分析分為前處理和后處理兩個(gè)部分,前處理階段,主要進(jìn)行材料參數(shù)的定義和結(jié)構(gòu)實(shí)體模型的建立,材料的參數(shù)包括材料本構(gòu)關(guān)系、彈性模量、密度、泊松比、時(shí)間依存性特性、熱力學(xué)參數(shù)等。結(jié)構(gòu)實(shí)體模型的建立包括幾何尺寸的建立、網(wǎng)格劃分、定義邊界條件。模型建立完成后,需定義混凝土水化熱熱源函數(shù)、環(huán)境溫度以及對(duì)流系數(shù)函數(shù)。最后根據(jù)實(shí)際的施工過(guò)程,定義施工階段。后處理階段,定義分析控制,運(yùn)行分析計(jì)算,得到水化熱分析計(jì)算的結(jié)果[4-6]。

將以上建模步驟繪制成流程圖如圖3所示。

2.2.2 模型的建立

拉仁2號(hào)高架大橋0號(hào)塊屬于中心對(duì)稱結(jié)構(gòu),在進(jìn)行分析計(jì)算時(shí),為了減少計(jì)算單元數(shù)量,減少計(jì)算壓力,可盡可能的簡(jiǎn)化模型。在本文中,僅建立拉仁2號(hào)橋的1/4,通過(guò)設(shè)置合理的邊界條件達(dá)到對(duì)全部結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果。同時(shí),通過(guò)對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的剖切,能夠更加直觀的觀察0號(hào)塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[7]。模型建立的過(guò)程中,還需考慮結(jié)構(gòu)實(shí)際的約束條件,處于懸臂結(jié)構(gòu)時(shí),0號(hào)塊與主墩為固結(jié)體系,對(duì)應(yīng)約束0號(hào)塊的豎向位移,對(duì)于縱向和橫向剖切面,分別約束對(duì)應(yīng)方向上的平動(dòng)自由度,即宏觀坐標(biāo)系下的X軸、Y軸方向的自由度。

在進(jìn)行實(shí)體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分時(shí),由于不同尺寸差異和局部倒角構(gòu)造,需要對(duì)局部網(wǎng)格進(jìn)行加密,采用自由網(wǎng)格劃分的方式劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,劃分后,結(jié)構(gòu)單元共計(jì)2 100個(gè),并通過(guò)設(shè)置對(duì)稱邊界條件與對(duì)流邊界條件區(qū)分結(jié)構(gòu)剖面和對(duì)流面域。0號(hào)塊結(jié)構(gòu)1/4模型(網(wǎng)格劃分)如圖4所示。

3 0號(hào)塊水化熱分析

3.1 0號(hào)塊溫度場(chǎng)計(jì)算

根據(jù)實(shí)際擬定的施工步驟,混凝土初始溫度場(chǎng)為20 ℃,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),環(huán)境溫度按照4個(gè)時(shí)段進(jìn)行模擬,分別為AM6:00—12:00,環(huán)境溫度從25 ℃上升至35 ℃,12:00—18:00,環(huán)境溫度從35 ℃下降至21 ℃,18:00—24:00,環(huán)境溫度從21 ℃下降至17 ℃,24:00—次日6:00,環(huán)境溫度從17 ℃上升至25 ℃。將模擬的對(duì)流交換條件、熱源函數(shù)市價(jià)在模型上,進(jìn)行瞬態(tài)熱傳導(dǎo)分析。根據(jù)大體積水化熱常規(guī)的控制要求,對(duì)0號(hào)塊澆筑7 d內(nèi)的溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算模擬,分別觀察從開(kāi)始澆筑后10 h,30 h,130 h,170 h時(shí)刻0號(hào)塊溫度場(chǎng)的分布具體計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

從圖5的溫度場(chǎng)分布云圖可以看出,拉仁2號(hào)大橋的0號(hào)塊在30 h時(shí)達(dá)到了最高溫度77 ℃,最高溫度發(fā)生在橫隔板處,除翼緣板外的核心區(qū)域間表里溫差為30.58 ℃,根據(jù)GB 50496—2009大體積混凝土施工規(guī)范中溫控指標(biāo)的規(guī)定,表里溫差不宜大于25 ℃,因此需采取一定的溫控措施進(jìn)行溫度控制。

3.2 0號(hào)塊水化熱溫度應(yīng)力

為確保在澆筑過(guò)程中0號(hào)塊不因溫度場(chǎng)升降溫而產(chǎn)生溫度裂縫,需要對(duì)0號(hào)塊進(jìn)行溫度應(yīng)力的計(jì)算分析,主要對(duì)升降溫過(guò)程中的主拉應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算時(shí),需考慮混凝土強(qiáng)度隨時(shí)間的發(fā)展,即混凝土材料的時(shí)間依存性。溫度裂縫產(chǎn)生的原因是內(nèi)外部溫差的存在導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體各個(gè)部位因溫度產(chǎn)生變形的不協(xié)調(diào),從而形成溫度應(yīng)力,當(dāng)溫度應(yīng)力超過(guò)材料的容許主拉應(yīng)力,則結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生溫度裂縫,提取腹板處溫度應(yīng)力隨時(shí)間的變化情況見(jiàn)圖6。

從計(jì)算結(jié)果可知,腹板內(nèi)側(cè)中心點(diǎn)因溫度應(yīng)力產(chǎn)生的最大主拉應(yīng)力為2.3 MPa,此時(shí)C55混凝土的容許主拉應(yīng)力為2.78 MPa,大于由于溫度場(chǎng)產(chǎn)生的主拉應(yīng)力,因此在整個(gè)澆筑過(guò)程中,0號(hào)塊不會(huì)因?yàn)闇囟葢?yīng)力產(chǎn)生溫度裂縫[8-10]。

4 結(jié)論

本研究依托于廣西天峨至巴馬高速公路的拉仁2號(hào)0號(hào)塊的施工,采用Midas FEA有限元分析軟件,分析0號(hào)塊在澆筑過(guò)程中溫度場(chǎng)的變化規(guī)律及其溫度應(yīng)力,計(jì)算結(jié)果表明,在0號(hào)塊澆筑的過(guò)程中,在不采取溫控措施的情況下結(jié)構(gòu)的表里溫度差為30.58 ℃,不滿足規(guī)范中對(duì)溫度控制的要求,因此需采取一定的溫控措施,在對(duì)溫度應(yīng)力的分析中,以腹板內(nèi)側(cè)中心點(diǎn)計(jì)算最大主拉應(yīng)力為例,結(jié)合材料的時(shí)間發(fā)展曲線表明,在整個(gè)澆筑的過(guò)程中該0號(hào)塊不會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫。結(jié)合實(shí)際澆筑溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)計(jì)算分析很好的模擬了結(jié)構(gòu)實(shí)際澆筑過(guò)程中的溫度場(chǎng),為0號(hào)塊施工質(zhì)量的控制提供了有效的措施。