预制混凝土箱梁水化热温度场数值分析

资料大小：550KB
资料类型：.PDF
资料等级：
发布时间：2021-09-04

资料介绍

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212000；2．中交第二航务工程局有限公司，武汉430040)
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ANSYS有限元分析软件．基于三维非稳态温度场理论对跨度32m 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
Abstract：The hydration heat temperature crack problem of precast box girder concrete is an engineering problem
whicih has not yet been completely solve．Based on the precast construction of Harbin-Dalian high-speed rail prestressed
concrete box girder and the theory of three-dimensional unsteady temperature field，the hydration heat temperature field of
precast concrete box girders with 32m span is simulated throu【gh the ANSYS finite element analysis software and the finite
element analysis results are compared with the measured data．The results show that using the method of numerical analysis
can be more realistic simulation of concrete hydration heat temperature field，and this article research results can provide a
theoretical basis for large precast concrete box girder temperature monitoring of the process and preventing temperature
cracks．．
Key words：Box girder；Hydration heat；Temperature field；Finite element；Numerical analysis
中图书分类号：TU528．79 文献标识码：A 文章编号：1000—4637(2015)09—44—04
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．Ozyildirim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。Myers和Carrasquillo[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f31通过现场采集数据，对秦沈客运专
线24m、32m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(2013一k4—26)。
一44一
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ANSYS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32m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3o#)，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DK909+722～DK910+279左侧，梁场占
地面积约为185333m ，主要承担主线530孔双线简
支箱形梁预制架设任务，其中，519孔32m箱梁，ll
孑L 24m 箱梁。单榀32m 预制箱梁混凝土量为
321．9m ，自重822．9t。32m箱梁采用单箱单室截面，
桥顶面宽12m ，底宽5m，主梁中心线梁高3．05m。
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C50，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=338：690：1066：58：87：4．8：121。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 13
1广一· ⋯ · 一
●4 ●6
l= = ·= 二= = = ·：=：二=]
12 8 10 14
●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)， az ／ a￡
式中：为导温系数，o~=Mcp，rn ；p为材料密
度，kg／m ；c为材料比热容，J／(kg·oC)；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20℃。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

图3 测温点立面布置示意图
一 ~(T-To) (2)
o凡
式中：JB为表面放热系数，kJ／(m2·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~To(x,y,z) (3)
一 0 =B(T-L)
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=[Ⅳ] ． ‘ (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