大跨度桥梁浇筑混凝土水化热温度场仿真分析

摘要：本文利用有限元软件ANSYS建立混凝土箱梁空间模型，模拟了箱形梁水泥水化生热和对流边界条件，进行混凝土水化热温度场仿真计算，计算结果为工程设计和施工提供了一定的借鉴意义。
　　关键词：箱梁；水化热；温度场
　　1引言
　　随着长大跨度桥梁结构越来越多地出现，对桥梁结构的设计和施工都提出了更高的要求。长大跨度桥梁结构的显著特点是截面尺寸大，底板和腹部较厚。为了满足强度、刚度和稳定性的要求，使用大量的高强度混凝土。与普通混凝土相比，高强硅粉混凝土的水泥等级要求高，用量大，水泥水化放热速率快，放热量明显增多。由于混凝土传热性能差，内部水化热量不易散发,对箱形梁这种结构,会形成横截面上温度梯度和混凝土外层与周围环境的温差,以及箱形梁混凝土自身升降温前后较大的温度梯度。如温控不合理,将会产生早期温度裂缝,还会因水化热温升过高导致混凝土后期强度的损失。本文运用有限元软件ANSYS建立连续梁0号块的实体模型模拟实际浇筑混凝土水化热温度场分布，为工程中温度的控制提供借鉴。
　　2水化放热规律
　　混凝土浇筑完成后,混凝土在水泥水化作用下,可以看成有内部热源强度,具有瞬态温度场的连续均匀介质。其瞬态温度场的计算实质是三维非稳态导热方程在特定边界条件和初始条件的求解。热传导方程为：
　　（1）
　　式中：T为混凝土瞬时温度；为混凝土的导热系数；c为混凝土的比热；为混凝土的容重;q为混凝土单位体积内水化热生热率。
　　要计算确定混凝土内部水化温度场,首先应确定水泥水化放热规律。迄今为止,在各种文献中还未给出公路、铁路高强混凝土的水化放热规律,为了进一步研究,可以借用大坝混凝土的水化放热规律,取水化放热公式为：
　　（2）
　　（3）
　　式(2)(3)中,为累积水化热；t为龄期；为t为无穷大的最终水化热；m为水化系数。确定该放热公式中决定混凝土水泥水化速率的水化系数m的取值情况,对桥梁结构工程中采用高强硅酸盐水泥,放热量大,水化速率快,水化系数m取1.2。
　　3有限元分析
　　3.1工程概况
　　某特大跨径连续梁桥为上下行双幅，桥面全宽29m，横向布置为3m(人行道＋护栏)＋2×净11.5m(行车道)＋3m(人行道＋护栏)。桥梁横坡为单向1.5％。主跨为152m。主桥上部结构为五跨预应力混凝土变截面连续箱梁，单箱单室，支点梁高8.811m，跨中梁高3.911m，中间按二次抛物线变化。除0号块设一个厚3m的横隔板及边跨端部设厚2m的横隔板外，箱梁其他部位均不设横隔板，箱梁采用三向预应力体系。北岸引桥为4×30m＋3×30m两联等截面预应力混凝土连续箱梁，南岸引桥为4×30m一联等截面预应力混凝土连续箱梁。设计荷载为公路－Ⅰ级。
　　3.2实体建模及有限单元的划分
　　0号块箱梁实体模型如图1所示。接着定义单元类型。SOLID90是ANSYS中定义的三维温度单元，每个单元有20个节点，每个节点只有一个自由度即温度，计算中选择了此种单元。随后定义材料性能参数，对于瞬态传热问题，需定义混凝土的导热系数、密度和比热，这里采用了参考文献[19]中的推荐值，导热系数λ为9.66kJ/(m.h.℃)，比热C为0.966kJ/(kg.℃)，密度为2450kJ/m3。该模型热分析的边界条件仅考虑混凝土表面与空气之间的对流作用，取对流放热系数β为27.34kJ/(m2.h.℃)[19]。最后在创建的几何模型上划分网格，如图2所示。

　　图10号块实体模型                                                                  图20号块有限元模型
　　施工期间，随着混凝土的不断浇筑，温度场的有限元计算网格将不断变化。因此自动实时生成计算网格是仿真计算的前提条件。对网格的自动生成采用如下的处理方法：首先，按照实际的浇筑顺序，将整个结构划分为若干指定块体，并在计算之初将单元统统杀死。各个施工时刻有限元计算网格的形成实际就是对这些块体进行条件操作，根据浇筑顺序，按一定的条件取出相应的块体进行激活，得到该时刻相应的计算网格，随着浇筑面的上升，网格逐渐扩大到整个结构。
　　3.3荷载的施加及求解
　　荷载主要为水泥水化热生热荷载，水泥水化热生热公式采用指数式即式（2）来模拟水泥水化反应生热。
　　混凝土箱梁边界存在空气和混凝土的热对流，属于热分析中的第三类边界条件。混凝土箱梁采用钢模板，由于其导热性能良好，可忽略其对混凝土箱梁表面与大气之间热交换的影响。对流边界条件可作为面荷载施加于箱梁外表面和内表面，并考虑混凝土表面放热系数。
　　共设定360个荷载步，时间步长为1小时，分三层浇筑完成0号块混凝土。在求解第一浇筑层前杀死第二浇筑层混凝土单元，五天（120小时）后，开始浇筑第二浇筑层，激活该层单元，使该层单元加入求解系统进行计算，最后激活第三浇筑层单元进行求解。浇筑混凝土入模的初始温度设为30℃，气温定为25℃，打开时间积分效果进行瞬态分析。
　　整个从建模、单元划分到荷载施加、求解过程，采用APDL参数化语言建立命令流文件，以便于模型、参数的修改和调试。
　　3.4计算结果分析
　　利用有限元软件的热分析模块，对箱形梁混凝土水化热所形成的温度场进行分析，直接从ANSYS后处理中输出相应节点的温度时程曲线，限于篇幅有限，列出0号块中截面2-2上部分计算点的结果。

　　图30号块立面图                                                              图4截面2-2计算点分布图

　　图5点10温度时程曲线                                                      图6点13温度时程曲线

　　图7点14温度时程曲线                                            图8点16温度时程曲线
　　以下给出浇筑后12小时、24小时、120小时、240小时的温度场等值线图。

　　图9浇筑后12小时的温度等值图                              图10浇筑后24小时的温度等值图

　　图11浇筑后120小时的温度等值图                  图12浇筑后240小时的温度等值图
　　（1）、混凝土浇筑后，迅速产生水化热，各点温度在短时间内达到最大值，然后温度开始下降，但下降过程相对较为缓慢。
　　（2）、顶板的厚度最薄，温度达到最高时所用时间最短，大约不足10小时，其次是腹板和底板，经过20小时左右温度达到最高，而横隔板最厚，内部需要大约180小时后才能达到最大值。
　　（3）、横隔板厚度较厚，内部水化热量不易散失，迅速积累，使温度达到最大，高于其他各板的温度，因此容易产生温度裂缝。
　　（4）、整个0号块浇筑完成后，横隔板内部温度仍然高达60℃,而且下降缓慢，因此应采取温度控制措施。其余各板厚度较薄，热量散失快，最终温度都能降至环境温度。
　　4结语
　　混凝土浇筑后水泥水化是一个复杂的化学反应过程,水化放热在混凝土结构中形成瞬态温度场。通过建立有限元模型,模拟水化放热和对流边界条件来仿真实际温度场。
　　在混凝土浇筑前预先进行温度仿真分析，为实际的施工提供了可靠的资料和依据，以便采取恰当的温控措施，防止温度裂缝的产生。
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