論文導(dǎo)讀：早期混凝土溫度應(yīng)力的產(chǎn)生主要受水泥類型和用量、澆筑溫度、環(huán)境條件、混凝土材料特性、混凝土齡期、結(jié)構(gòu)類型、順序和約束條件以及徐變收縮特性等因素的影響。本文采用MIDAS/Civil有限元分析軟件分析梁濟(jì)運(yùn)河大橋中混凝土的溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力。
1.混凝土內(nèi)部溫度變化規(guī)律
混凝土結(jié)構(gòu)裂縫并非由于其承載能力不足，而是因?yàn)榛炷敛牧显诃h(huán)境溫度變化的影響下產(chǎn)生非荷載應(yīng)力而引起的。早期混凝土溫度應(yīng)力的產(chǎn)生主要受水泥類型和用量、澆筑溫度、環(huán)境條件、混凝土材料特性、混凝土齡期、結(jié)構(gòu)類型、順序和約束條件以及徐變收縮特性等因素的影響。
2.工程概況
根據(jù)梁濟(jì)運(yùn)河大橋的地質(zhì)情況，橋梁上部結(jié)構(gòu)主橋采用大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土半剛構(gòu)連續(xù)箱梁，引橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)：孔徑為5×30+60+100+60+5×30米，下部構(gòu)造主橋采用雙薄壁橋墩，引橋采用柱式橋墩、肋式橋臺(tái)和鉆孔樁基礎(chǔ)，橋梁全長(zhǎng)527米。主橋上部形式為預(yù)應(yīng)力混凝土半剛構(gòu)連續(xù)箱形梁，其橋孔布置為60+100+60米。橫斷面為兩幅分離的單箱單室斷面，單幅箱梁全寬13.5米，橋面橫坡由箱梁頂板自傾形成�？萍颊撐摹Ｏ淞嚎v向?yàn)樽兘孛�；主橋橋墩頂箱梁梁�?.00米，跨中及邊跨支點(diǎn)箱梁梁高2.5米。主梁混凝土應(yīng)采用不小于525號(hào)硅酸鹽水泥。主梁混凝土應(yīng)采用較小水灰比，并嚴(yán)格控制水泥用量以減小混凝土的收縮。設(shè)計(jì)中采用混凝土容重2.6噸/立方米。
3.溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬
隨著計(jì)算力學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、工程管理特別是信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)日趨成熟。本文采用MIDAS/Civil有限元分析軟件分析梁濟(jì)運(yùn)河大橋中混凝土的溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力。
3.1建模
根據(jù)工程概況，使用FX+建立模型并劃分網(wǎng)格，再導(dǎo)入midas/civil進(jìn)行有限元分析。FX+是專為土木結(jié)構(gòu)細(xì)部分析而開發(fā)的有限元網(wǎng)格劃分程序，具有高級(jí)的曲面、實(shí)體仿真功能，可以方便直觀的建立幾何模型，并且自動(dòng)劃分網(wǎng)格功能�？萍颊撐�。
3.2參數(shù)及邊界條件
在計(jì)算中，參數(shù)的取值至關(guān)重要，關(guān)系到最終的計(jì)算結(jié)果。需要的參數(shù)有混凝土的絕熱溫升參數(shù)θ、外界氣溫、表面放熱系數(shù)β、混凝土的比熱c、導(dǎo)熱系數(shù)λ、熱膨脹系數(shù)、泊松比等。
3.2.1參數(shù)選取
�。�1）表面放熱系數(shù)β
表面放熱系數(shù)β與固體本身的材料性質(zhì)無(wú)關(guān)，只與風(fēng)速有關(guān)，一般情況下取β=11.63～23.26[W/(·℃)]，λ/β=0.1～0.2m
�。�2）混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)λ[W/(m·℃)]
混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)決定于混凝土各組分的特性。無(wú)實(shí)測(cè)資料時(shí)，可根據(jù)混凝土的各種組分的重量百分比，按加權(quán)平均的方法進(jìn)行計(jì)算得到。
3.2.2邊界條件的確定
根據(jù)梁段實(shí)際施工情況，模擬實(shí)際對(duì)流和水化熱生成情況（忽略輻射影響），施加荷載，確定邊值條件。
3.3溫度模擬結(jié)果
一般連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁薄壁結(jié)構(gòu)在澆注初期達(dá)到最高溫度的時(shí)間比較快(僅一天左右)，從該項(xiàng)目中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，測(cè)點(diǎn)的溫度的最高值基本出現(xiàn)在第20小時(shí)左右�？萍颊撐摹Ｋ赃x擇第10小時(shí)，21小時(shí)，68小時(shí)的溫度等值進(jìn)行比較。
分析可看出，掛籃施工內(nèi)側(cè)的溫度明顯高于掛籃施工外側(cè)的溫度，而且不管是掛籃施工外側(cè)還是施工內(nèi)側(cè)，腹板與頂板相交處的溫度最高，腹板與頂板相交處，在橫向上存在溫度梯度，此處容易產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力。
綜上可得：
（1）從箱梁縱向來(lái)看，雖然沿梁長(zhǎng)度方向每個(gè)截面溫度不同，但溫度分布規(guī)律基本一致。在靠近已澆筑混凝土的一側(cè)的溫度比外側(cè)的溫度要高很多，這是因?yàn)閮蓚?cè)的對(duì)流系數(shù)不同，導(dǎo)致了較大的溫差。這說(shuō)明該箱梁混凝土表面散熱可以起到較大的作用。
（2）從箱梁橫截面來(lái)看，局部混凝土的內(nèi)部點(diǎn)的溫度都要比表面的溫度高的多。翼緣板與腹板交接處體積較大，溫度值比整個(gè)箱梁其他部位都要高，第三天時(shí)內(nèi)部中心溫度最高仍然有25度。而腹板、底板，翼緣板邊處厚度較小，溫度在澆筑初期上升較快，但受環(huán)境影響較大，散熱也較快，兩天基本就趨近于環(huán)境溫度。
（3）整體來(lái)看，該箱梁與其他大體積混凝土相比，體積相對(duì)較小，所以最高溫度值及溫升速率都要小。
4.測(cè)點(diǎn)溫度模擬數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比
成熟度測(cè)定儀埋于掛籃內(nèi)側(cè)向內(nèi)90cm距離處位置，從實(shí)測(cè)水化熱溫度變化曲線均可知，混凝土內(nèi)部測(cè)點(diǎn)的曲線比較光滑，而邊緣點(diǎn)的溫度曲線波動(dòng)較大，這說(shuō)明內(nèi)部溫度在水化放熱情況下受外界影響比較小，而表面溫度由于對(duì)流受外界影響較大，將測(cè)點(diǎn)的模擬溫度值與實(shí)測(cè)值比較，各測(cè)點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)基本一致。分析可看出對(duì)混凝土箱梁而言，局部體積越大，積蓄的熱量越不易傳遞，溫度差就越大，產(chǎn)生的溫度應(yīng)力隨之升高。
5.小結(jié)
通過(guò)以上分析，可以看出Midas/civil模擬得到的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的溫度場(chǎng)的分布情況、大小及變化趨勢(shì)與一般大體積混凝土的溫度場(chǎng)有相似的規(guī)律，但由于其構(gòu)件的相對(duì)較小性和混凝土的高強(qiáng)性，又有與大體積混凝土的變化規(guī)律有相異性，其溫升階段較短，拉應(yīng)力峰值出現(xiàn)較早。因此在預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的設(shè)計(jì)、施工中，可以采用Midas/civil 軟件對(duì)其溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力進(jìn)行模擬，根據(jù)模擬得到的混凝土內(nèi)部的溫度、溫度應(yīng)力分布的規(guī)律，確定重點(diǎn)防裂部位并選取合適的溫控方法、防止裂縫的產(chǎn)生。
參考文獻(xiàn)
[1]唐修生,李克亮,祝燁然.大摻量礦渣高性能混凝土絕熱溫升試驗(yàn)研究[J].人民長(zhǎng)江,2008,
39(3):75-77.
[2] 王繼宗,倪鴻光,何錦云,侯栓成.混凝土強(qiáng)度預(yù)測(cè)和模擬的智能化方法[J].土木工程學(xué)報(bào),2003,36(10):24-29.
[3] 陳勇,葉雨清等.模型預(yù)測(cè)技術(shù)在橋梁健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].浙江大學(xué)報(bào), 2008,42(1):
157-163.
[4]邱凱.混凝土早期彈性模量變化規(guī)律試驗(yàn)研[J].究試驗(yàn)技術(shù)與試驗(yàn)機(jī),2007,(6):29-31.
[5]應(yīng)宗權(quán),杜成斌,孫立國(guó).基于隨機(jī)骨料數(shù)學(xué)模型的混凝土彈性模量預(yù)測(cè)[J].水力學(xué)報(bào), 2007,38(8):933-937.
