公路交通科技  2018, Vol. 35 Issue (10): 50−55

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陈黎阳
CHEN Li-yang
早龄期混凝土箱梁温度场分析
Analysis on Temperature Field of Early Age Concrete Box Girder
公路交通科技, 2018, 35(10): 50-55
Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment, 2018, 35(10): 50-55
10.3969/j.issn.1002-0268.2018.10.007

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收稿日期: 2017-05-31
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陈黎阳. 早龄期混凝土箱梁温度场分析[J]. 公路交通科技, 2018, 35(10): 50-55.
CHEN Li-yang. Analysis on Temperature Field of Early Age Concrete Box Girder[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment, 2018, 35(10): 50-55.
早龄期混凝土箱梁温度场分析
陈黎阳     
山西路桥建设集团有限公司, 山西 太原 030006
收稿日期: 2017-05-31
作者简介: 陈黎阳(1974-), 男, 河南浚县人, 硕士, 高级工程师.
摘要: 混凝土水化热引起的温度效应是导致混凝土箱梁早期发生开裂的主要原因之一，严重影响施工质量，成为困扰土木技术人员的难题。为此，对某大桥进行温度场试验，基于箱梁混凝土热传导理论，利用有限元数值分析软件ANSYS，建立该大桥混凝土箱梁块水化热分析的有限元数值模型，对该混凝土箱梁结构的水化热温度场产生的过程进行数值分析，并将仿真分析结果和现场实测数据进行对比，研究早期混凝土箱梁的温度场分布及其时变特点。研究结果表明，采取正确的热学参数，混凝土箱梁温度场有限元数值仿真能准确模拟混凝土箱梁水化热现场试验温度场的分布和发展过程。混凝土箱梁结构的水化热温度梯度规律明显，减小混凝土箱梁内外温度梯度是降低混凝土箱梁早期裂缝的关键。底板中部的温度高于靠近表面位置的达23.1℃，这是因为底板厚度较大，水化热不宜扩散，因此在混凝土养护过程中要更加注意底板等大尺寸部位的散热。研究结果为混凝土箱梁结构的温度场分析方法提供理论依据，便于准确掌握混凝土箱梁的温度应力，明确受温度效应影响最大的位置，为施工过程中的混凝土箱梁的温度控制提供参考和借鉴。
关键词: 桥梁工程     温度场     实测研究     温度梯度     混凝土箱梁    
Analysis on Temperature Field of Early Age Concrete Box Girder
CHEN Li-yang    
Shanxi Road and Bridge Construction Group Co., Ltd., Taiyuan Shanxi 030006, China
Abstract: The temperature effect caused by hydration heat of concrete is one of the main reasons for cracking in the early stage of concrete box girder, which seriously affects the construction quality and becomes a difficult problem for civil engineers. For this reason, the temperature field test of a bridge is carried out, based on the heat conduction theory of box girder concrete, the finite element numerical model of hydration heat analysis of concrete box girder block of the bridge is established by finite element numerical analysis software ANSYS, and the process of the hydration heat temperature field of the concrete box girder structure is analyzed, and the simulation analysis result and the measured data are compared to study the temperature field distribution and the time-varying characteristics of the early stage concrete box girder. The study result shows that (1) the FE numerical simulation of temperature field of concrete box girder can accurately simulate the distribution and development of temperature field of hydration heat of concrete box girder in the field test using correct thermal parameters; (2) the temperature gradient of concrete box girder structure is obvious, and reducing the temperature gradient inside and outside of the concrete box girder is the key to reduce the early cracks of concrete box girder; (3) the temperature at the bottom slab center of the box girder is 23.1℃ higher than that near the surface, because the thickness of the bottom slab is larger and the hydration heat is not spread easily, so we should pay more attention to the heat dissipation of large size parts such as bottom slab in the concrete curing process. The research result provides a theoretical basis for the analysis of the temperature field of concrete box girder, which is convenient to grasp the temperature stress of concrete box girder accurately and to determine the most affected position by temperature effect, and provides a reference for the temperature control of concrete box girder during construction.
Key words: bridge engineering     temperature field     measured research     temperature gradient     concrete box girder    
0 引言

在浇注混凝土箱梁结构时，因为水泥存在水化反应，短时刻内箱梁混凝土中热量集聚，若扩散不及时，导致混凝土箱梁内部与表面的高温差，通常产生拉应力的情况下，拉力超限导致混凝土箱梁开裂，温度效应过大致使混凝土箱梁开裂的病害时有发生[1-3]。同时，桥梁结构所处的施工环境复杂，环境的骤然降温导致温度梯度过大将在混凝土结构中产生突然增加的强烈温度荷载，在此强烈的温差荷载作用下，致使混凝土箱梁产生过大的温差应力和变形，甚至导致混凝土箱梁后期出现性能退化和损伤，导致混凝土箱梁结构的实用性能削弱，使其难以达到长期运营过程中标准规定的相关指标[4-6]。研究发现，混凝土箱梁温差应力甚至能超过汽车活载应力，导致混凝土箱梁的开裂[7-8]。

由混凝土水化热引起的温度荷载是影响混凝土箱梁结构施工质量的重要荷载之一，研究混凝土箱梁水化热温度特征对降低温度荷载引起的应力，以及阻止混凝土箱梁开裂病害都有借鉴意义。

1 热传导理论 1.1 热传导方程

混凝土箱梁浇注过程中，温度沿z方向为非常数，∂T/∂z≠0，因此其温度场是三维的(空间问题)。水泥水化过程中产生的水化热随时间变化，导致混凝土水化热温度出现升降的非线性形态，因此其温度场是瞬态变化的，属于瞬态温度问题[9-15]。三维瞬态热传导方程可以表示如下：

瞬态热传导方程

(1)

式中，T为温度；τ为龄期；θ为绝热温升；α为导温系数。

1.2 初始条件

初始条件的一般表达式为：

(2)

在温度场的初始状态为均匀分布的特殊情况下，此时：

(3)

式中C为常数。

1.3 边界条件

第1类边界条件：结构表面在某一时刻的温度已知，那么：

(4)

式中，Γ为结构边界，特殊情形下，式(4)可表示为T|Γ=C，即结构表面温度恒定；f(τ)为一种关于τ的函数关系。

第2类边界条件：结构表面某一点的法向热流密度已知，那么：

(5)

式中，n为结构表面的外法向；q为热流密度。由式(5)可得：

(6)

在绝热边界上，由于热流密度为零，得：

(7)

第3类边界条件：结构边界上某一点在各个时刻的放热情况已知。那么：

(8)

式中，Ta为环境温度；β为表面放热系数，该值主要受周围介质的黏度、密度、流速以及物体表面粗糙率的影响。由式(8)可得：

(9)
2 现场试验 2.1 试验背景

某混凝土箱梁的顶板宽度为12.0 m，底板宽度为6.5 m，翼缘板悬臂长度为2.75 m。箱梁根部梁高度为6.5 m。箱梁段顶板厚度为0.28 m；梁段腹板厚度为0.60 m。选取该桥梁的某一截面进行水化热分析，试验截面的底板厚度为66.8 cm，其水化热测点布置如图 1所示。

图 1 混凝土箱梁横截面测温点布设图(单位：cm) Fig. 1 Layout of temperature measuring points on concrete box girder cross-section(unit:cm)

2.2 试验仪器及试验过程 2.2.1 测试仪器

(1) 混凝土温度监测

传感器用JMT-36C型电阻式温度传感器。量程：-40~150 ℃，灵敏度：0.1 ℃，精度：1 ℃，测试仪器采用JMWT-64RT全自动无人值守的温度采集模块。

(2) 环境温度监测

环境温湿度用JMWS-1D单通道温湿度采集模块。其主要技术参数：测量范围为温度：-40~+120 ℃，湿度：0~100%RH；测量精度为温度：±0.4 ℃，湿度：±3%RH；分辨率为温度：0.1 ℃，湿度：0.1%RH；使用环境为温度：-40~+100 ℃(探头部分), 湿度：5%RH~99%RH，无凝露：RS-485接口，配RS485转USB线可连接到电脑。

2.2.2 混凝土水化热温度现场测试过程

在截面埋置温度传感器。混凝土于2015年11月13日16：00开始浇注，于2015年11月13日22：00结束。混凝土配合比如表 1所示。

表 1 混凝土配合比(单位：kg·m-3) Tab. 1 Concrete mix proportion(unit:kg·m-3)
水泥 粉煤灰 中沙 碎石 外加剂 水
455 62 674 1 126 6.72 143
表选项

沙子含水率：1.8%；设计坍落度：160~200 mm。

由于混凝土浇注时长达到了6.0 h，将浇注完成时刻作为温度场分析的初始时刻。

3 水化热温度数值计算 3.1 参数确定

与已成形箱梁段的接触部分，边界可认为是绝热，其他都可以认为是第3类边界(即对流边界)条件[16-18]。

影响混凝土水化热的主要参数有：密度、导热系数、比热容、水泥含量、水化热、环境(如对流、温度等)。初始温度为19.0 ℃。其他热学参数如表 2所示。

表 2 混凝土热学参数 Tab. 2 Concrete thermal parameters
密度ρ/(kg·m-3) 导热系数λ/[kJ·(m·h·℃)-1] 比热容c/[kJ·(kg·℃)-1] 水泥含量W/(kg·m-3) 最终水化热Q0/(kJ·kg)-1
2 466.72 10.09 0.801 455 320
常数n/d 箱外对流βw/[kJ·(m2·h·℃)-1] 箱内对流βn/[kJ·(m2·h·℃)-1] 箱外温度Tw/℃ 箱内温度Tn/℃
0.34 65 26 4.1 5.5
表选项

3.2 模型建立

混凝土箱梁块的水化热温度过程，其问题的实质是三维结构瞬态温度场问题。按照混凝土箱梁结构的尺寸、温度场数值分析参数，利用有限元数值分析软件ANSYS，建立混凝土箱梁块的有限元数值模型，模型如图 2所示。

图 2 箱形梁块有限元数值模型图 Fig. 2 Finite element numerical model of box girder block

4 结果数据分析

将混凝土箱梁水化热过程看作三维结构的瞬态温度场分析，计算混凝土箱梁块的温度场，获取结构温度时程变化，提取每隔2 h的测点温度值，与现场实测值进行对比分析。混凝土箱梁温度在混凝土浇注时开始监测。为了研究水化热温度场时变特性，建立混凝土箱梁温度场计算有限元数值模型，分别对比研究箱梁主要测点的温度场时变特性。

由图 3(a)分析靠近顶板和腹板交接处的8#测点，该处测点温度的计算值相对于实测值呈现偏离-吻合-偏离-吻合的过程。实测最大温度为52.0 ℃，出现在浇注完成后12 h；计算最大温度为54.8 ℃，出现在浇注完成后14 h。差值绝对值最大为6.1 ℃。受环境不稳定因素的影响，8#测点实际温度峰值较计算值低。

图 3 测点计算值和实测值对比图 Fig. 3 Comparison of calculated values with measured values of measuring points

由图 3(b)分析腹板9#测点，该测点混凝土温度的计算值普遍高于实测值。实测最大温度值50.5 ℃，出现在浇注完成后12 h；计算最大温度值为50.9 ℃，出现在浇注完成后14 h。差值绝对值最大为8.38 ℃。9#测点和8#测点接近，浇注时间早，环境不稳定因素对其温度的影响在温度峰值之前较大。

由图 3(c)分析腹板中部的11#测点，该处测点温度的计算值相对于实测值呈现偏离-吻合-偏离的过程。实测最大温度为54.0 ℃，出现在浇注完成后12 h；计算最大温度为53.5 ℃，出现在浇注完成后12 h。差值绝对值最大为3.6 ℃。11#测点计算值和实测值吻合度较高。

由图 3(d)分析腹板13#测点，该处测点温度的计算值相对于实测值呈现低-高-低的走势。实测最大温度为51.5 ℃，出现在浇注完成后12 h；计算最大温度为53.7 ℃，出现在浇注完成后12 h。差值绝对值最大为5.7 ℃。由于实际工程中存在环境的细微变化、养护方式不同、混凝土水化时间不同步等因素，11#测点计算值和实测值趋势相同，但是峰值不同。

由图 3(e)分析腹板的14#测点，该处测点温度的计算值相对于实测值呈现吻合-偏离的过程。实测最大温度为53.8 ℃，出现在浇注完成后12 h；计算最大温度为53.1 ℃，出现在浇注完成后12 h。差值绝对值最大为3.7 ℃。14#测点计算值和实测值吻合度较高。

由图 3(f)分析腹板和底板交界位置的15#测点，该处测点温度的计算值大多低于实测值。实测最大温度为59.0 ℃，出现在浇注完成后12 h；计算最大温度为55.1 ℃，出现在浇注完成后14 h。差值绝对值最大为6.2 ℃。

由图 3(g)分析底板位置的17#测点，该处测点温度的计算值大多低于实测值。实测最大温度为50.4 ℃，出现在浇注完成后12 h；计算最大温度为51.0 ℃，出现在浇注完成后12 h；差值绝对值最大为6.8 ℃。17#测点计算值和实测值吻合度较高。

从数值结果和实测结果的对比分析可以看出，选取准确的计算参数，采用数值模拟计算混凝土箱梁温度场具有良好的效果。

图 4~图 6表示箱梁各部分沿外向内的温差分布情况，横坐标距离表示测点到箱梁外表面的距离。图 4显示了顶板混凝土温度分布情况，顶板中部温度梯度最大为5.4 ℃。图 5可以看出，底板中部的温度值比靠近内表面高出23.1 ℃，温度梯度较大。图 6可以看出，左右的温度值比靠近内表面高，左腹板高出6.3 ℃，右腹板高出9.9 ℃。

图 4 顶板沿竖向温差图 Fig. 4 Vertical temperature difference of top slab

图 5 底板沿竖向温差图 Fig. 5 Vertical temperature difference of bottom slab

图 6 左右腹板沿横向温差图 Fig. 6 Transverse temperature difference of left and right webs

利用有限元软件，对混凝土水化热过程数值分析发现，混凝土箱梁温度场的数值计算结果和实测结果吻合度较高。混凝土浇注过程中，浇注初期，混凝土温度变化平缓，浇注完成时所有测点的差值较小，为9.4 ℃，温度分布较为均匀。混凝土箱梁结构的顶板、腹板、底板都不同程度地存在温度梯度，温度梯度值和板的厚度有关系。

5 结论

(1) 混凝土箱梁结构水化热温度场数值仿真是对混凝土水化热过程进行模拟，为计算混凝土温度效应做准备，便于提前掌握桥梁结构的温度应力，为施工提供参考。

(2) 用数值计算的水化热温度与实测结果相比，温度变化过程基本一致，表明有限元计算过程可靠，数值分析能为混凝土箱梁结构的温控提供有效借鉴。

(3) 在水化热过程中，底板中部的温度高于靠近表面位置的达23.1 ℃，这是因为底板厚度较大，水化热不宜扩散，因此在混凝土养护过程中要更加注意底板等大尺寸部位的散热。

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