简支槽型梁温度控制技术研究.pdf

文章编号：１00９４５３９（２0１７）0４00４５0４·桥梁工程·收稿日期：２0１６１２１４基金项目：中国铁建大桥工程局集团有限公司科技开发项目（Ｃｒ１３ｇＫ-２0１５-0２）作者简介：李海峰（１９７３-），男，高级工程师，主要从事铁路工程施工及技术研究。简支槽型梁温度控制技术研究李海峰（中国铁建大桥工程局集团有限公司天津３00３00）摘要：混凝土浇筑过程中水泥水化放热使得现浇混凝土结构易出现裂缝，故需采取温度控制措施以保证其正常使用及耐久性能。京沈客运专线是国内首例采用３５0ｋｍ／ｈ高速铁路的预应力混凝土槽型梁工程，梁截面形式复杂，施工时模板布置较传统桥梁更为复杂，不利于混凝土水化热的散失，易产生裂缝。本文采用ＭＩＤＡＳ结构分析软件对其浇筑过程中温度变化进行有限元分析，主要目的是掌握浇筑过程中出现的最大温度及最大拉应力的大小及位置，对实际施工过程中可能出现的问题提供理论依据与技术控制措施。关键词：槽型梁混凝土浇筑温度控制水化热中图分类号：Ｕ４４５.５７文献标识码：ＡＤＯI：１0.３９６９／ｊ.ｉｓｓｎ.１00９-４５３９.２0１７.0４.0１0ＳｔｕｄｙｏｎＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏｎｔｒｏlＴｅｃｈｎｏlｏｇｙｏｆａＳｉｍｐlｙＳｕｐｐｏｒｔｅｄＣｈａｎｎｅlＢｏｘＧｉｒｄｅｒＬｉＨａｉｆｅｎｇ（ＣｈｉｎａＲａｉlｗａｙＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＢｒｉｄｇｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＢｕｒｅａｕＧｒｏｕpＣｏ.Ｌｔｄ.，Ｔｉａｎｊｉｎ３00３00，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｕｒｉｎｇｃｏｎｃｒｅｔｅpｏｕｒｉｎｇ，ｔｈｅｃａｓｔ-ｉｎ-plａｃｅｃｏｎｃｒｅｔｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｔｅｎｄｓｔｏｃｒａｃｋｄｕｅｔｏｈｙｄｒａｔｉｏｎｈｅａｔｏｆｃｅｍｅｎｔ，ｓｏｉｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏｔａｋｅｔｅｍpｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏlｍｅａｓｕｒｅｓｔｏｅｎｓｕｒｅｉｔｓｓｅｒｖｉｃｅａｂｉlｉｔｙａｎｄｄｕｒａｂｉlｉｔｙ.Ｂｅｉｊｉｎｇ-ＳｈｅｎｙａｎｇＰａｓｓｅｎｇｅｒＤｅｄｉｃａｔｅｄＬｉｎｅｉｓｔｈｅｆｉｒｓｔ３５0ｋｍ／ｈｈｉｇｈ-ｓpｅｅｄｒａｉlｗａｙｔｏｕｓｅpｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｃｈａｎｎｅlｂｏｘｇｉｒｄｅｒｗｉｔｈｃｏｍplｅｘｃｒｏｓｓ-ｓｅｃｔｉｏｎｓ.Ｄｕｒｉｎｇｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇｔｈｉｓｋｉｎｄｏｆｃｈａｎｎｅlｂｅａｍｓ，ｔｈｅｔｅｍplａｔｅplａｎｎｉｎｇｉｓｍｏｒｅｃｏｍplｉｃａｔｅｄｔｈａｎｔｒａｄｉｔｉｏｎａlｏｎｅｓ，ａｎｄｉｔｉｓｎｏｔｃｏｎｄｕｃｉｖｅｔｏｔｈｅlｏｓｓｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅｈｙｄｒａｔｉｏｎｈｅａｔ，ｔｈｕｓｃａｕｓｉｎｇｃｒａｃｋｓ.Ｉｎｔｈｉｓpａpｅｒ，ｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅＭＩＤＡＳｉｓａ-ｄｏpｔｅｄｔｏａｎａlｙｚｅｔｅｍpｅｒａｔｕｒｅｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｃｈａｎｎｅlｂｅａｍｓｄｕｒｉｎｇｃｏｎｃｒｅｔｅpｏｕｒｉｎｇ，ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｏｂｔａｉｎｔｈｅｖａlｕｅａｎｄpｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｔｅｍpｅｒａｔｕｒｅａｎｄｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｔｅｎｓｉlｅｓｔｒｅｓｓ，ａｎｄｔｏpｒｏｖｉｄｅｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａlｂａｓｉｓａｎｄｔｅｃｈｎｉｃａlｓｕppｏｒｔｆｏｒpｏｔｅｎｔｉａlpｒｏｂlｅｍｓｉｎｔｈｅａｃｔｕａlｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎpｒｏｃｅｓｓ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｈａｎｎｅlｂｏｘｇｉｒｄｅｒ；ｃｏｎｃｒｅｔｅpｏｕｒｉｎｇ；ｔｅｍpｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏl；ｈｙｄｒａｔｉｏｎｈｅａｔ１引言混凝土浇筑过程中，其强度随着水泥水化过程的进行而增长，同时水化过程会产生大量热量，由于混凝土是热的不良导体，水化热将聚集在结构内部而无法尽快散失，混凝土结构内部温度将会快速升高，并伴随着体积膨胀［１-２］；水化热散失后，混凝土温度下降，混凝土表面温度下降而产生收缩趋势，但内部混凝土温度仍较高而呈膨胀状态，阻止混凝土表面进一步收缩，使其处于受拉状态而产生裂缝［３-４］。因此，在桥梁施工过程中，应对混凝土温度进行全过程监测，尤其要采取专项措施降低水化热的影响和危害［５］。京沈客运专线设计时速为３５0ｋｍ，为国内首例在客运专线上采用预应力混凝土槽型梁结构的工程。槽型梁长３２.６ｍ，设置两道端横梁，九道中间横梁，桥面板两侧为倾斜倒Ｌ形主纵梁，两侧腹板与中间横梁连接位置设置竖向加劲肋，肋板纵宽0.５ｍ，梁体底宽１１.１ｍ，槽形结构内侧净宽９.９ｍ，跨中腹板水平厚度0.６ｍ，中间横梁及梁端腹板水平厚度0.88６ｍ，距梁端１.５ｍ处设置２.５５ｍ长的腹板厚度过渡段，按折线变化。因其截面形式较为５４铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２0１７（0４）万方数据·桥梁工程·多变，施工过程中模板数量众多、布置形式复杂，见图１，不利于混凝土水化热与外界环境进行交换，在图１槽型梁模板布置浇筑及养护过程中易出现温度应力所导致的裂缝［６］。为保证槽型梁结构的安全及外观，需采取措施控制混凝土浇筑过程中的温度。本文采用ＭＩＤＡＳ结构分析软件对梁体在浇筑混凝土过程中的水化热问题进行分析，研究水化热发展过程中拉应力的变化特点，为施工控制提供参考。２槽型梁水化热分析模型２.１槽型梁混凝土浇筑过程介绍槽型梁由于其断面构造特殊，要求一次性整孔连续浇筑，确保其底板及腹板一次性浇筑连接成整体。采用混凝土强度等级为Ｃ５0，并掺有适量粉煤灰及矿渣，以降低水化热及减小收缩裂缝。施工时由两端向跨中对称浇筑，具体的浇筑顺序为：（１）先浇筑底板横纵梁，再浇筑端横梁；（２）浇筑底板并浇筑与底板相连的腹板至３0ｃｍ高度；（３）浇筑剩余腹板混凝土，如图２所示。图２槽型梁混凝土浇筑顺序２.２槽型梁水化热分析模型建立混凝土浇筑后，水泥在水化过程中产生大量热量会使混凝土的温度升高。但混凝土各个部位的冷却速率随时间的增长并不均匀，结构不同位置将出现相对温差，从而使混凝土产生温度应力［７-９］。因此，有必要针对槽型梁浇筑过程中的水化热反应进行分析。采用Ｍｉｄａｓ／Ｃｉｖｉl对３２ｍ槽型梁建立实体单元模型并进行水化热分析。见图３。根据槽型梁不同部位的混凝土浇筑顺序及相应的水化热交换边界条件，将分析分为四个阶段：（１）将浇筑的底板纵横梁进行单元划分，边界条件分别是浇筑结构与模板之间的热交换及浇筑结构与空气之间的热交换；（２）将浇筑的底板进行单元划分，边界条件为底板结构与底板纵横梁之间混凝土的热交换、底板结构与两侧模板之间的热交换及底板结构与空气之间图３槽型梁有限元模型的热交换；（３）将浇筑的腹板进行单元划分，边界条件为腹板与底板之间混凝土的热交换、腹板与模板之间的热交换及腹板与空气之间的热交换；（４）以整体浇筑完成的槽型梁结构进行单元划分，边界条件为槽型梁与模板之间的热交换和槽型梁与养护水之间的热交换。３槽型梁水化热分析结果针对槽型梁浇筑过程的四个阶段，分别对槽型梁施工过程中的水化热进行分析。根据施工现场实际情况，分析过程中空气温度取２0℃，混凝土初始温度取２0℃，养护过程中养护水温度取℃１５。槽型梁浇筑过程中水化热温度分析结果如图４所示。图４第一阶段开始浇筑温度（整体）分布３.１第一阶段槽型梁底板纵横梁浇筑后的水化热分析结果在槽型梁纵横梁浇筑过程中，针对刚开始浇筑时水化热分析结果如图４所示。第一阶段施工过程中水化热温度分布规律与实际施工过程中梁体温度的变化较为一致，从侧面验证了模型建立的合理性。从图中的分析结果看出，槽型梁纵横梁开始浇筑时，梁体温度变化并不大，与初始设定温度２0℃基本保持一致。为便于结构水化热计算及结果处理，后文结果的提取均采用四分之一结构模型。槽型梁底板纵横梁浇筑完成后水化热温度、应力分析结果见图５、图６。可以看出，梁体温度整体升高１.℃６７左右，其中梁体中心部位温度稍高，梁体表面温度稍低；水化热导致结构所受的拉应力极小，对结构影响不大。６４铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２0１７（0４）万方数据·桥梁工程·图５第一阶段浇筑完成温度分布图６第一阶段浇筑完成应力分布３.２第二阶段槽型梁底板浇筑后的水化热分析结果槽型梁底板浇筑完成后水化热温度、应力分析结果见图７、图8。可以看出，梁体结构温度最高值为２３.℃３３左右，温度最高部位为槽型梁纵横梁位置处，这是由于纵横梁最先浇筑完成，水化放热使其温度较高；温度应力相较第一阶段有所增大，但依然比较小，对结构影响并不大。图７第二阶段浇筑完成温度分布图８第二阶段浇筑完成应力分布３.３第三阶段槽型梁腹板浇筑后的水化热分析结果槽型梁腹板浇筑完成后水化热温度、应力分析结果见图９、图１0。可以看出，结构温度最高达到２４.℃９１左右，温度最高部位仍为在槽型梁纵横梁位置处；温度应力较第二阶段有所增大，应力最大值出现在纵横梁位置处。图９第三阶段浇筑完成温度分布图１0第三阶段浇筑完成应力分布３.４第四阶段槽型梁养护过程的水化热分析结果槽型梁养护过程中水化热温度、应力分析结果见图１１、图１２。可以看出，梁体温度最高达到３７.0℃３左右，温度最高部位仍为槽型梁纵横梁位置处；温度应力较第三阶段增长较大，这是由于养护过程时间较长，温度应力发展较为充分，此时拉应力最大值已达到２.２ＭＰａ左右，发生位置在腹板与底板交界的外部。实际工程中由于有预应力筋作用，该位置的拉应力会有所降低，但该位置水化热问题仍应引起重视，防止局部区域产生裂缝。图１１第四阶段浇筑完成温度分布７４铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２0１７（0４）万方数据·桥梁工程·图１２第四阶段浇筑完成应力分布由分析结果可知，在浇筑梁腹板及养护时槽型梁内部温度有较大升高，由此出现的温度应力可导致混凝土出现裂缝。参考已有经验［１0-１２］，并考虑本“工程特点，浇筑混凝土时，严格按照水平分层、纵”向分段、横向对称的浇筑顺序，使早期水化热及时散失至外界环境；在混凝土养护阶段，在其表面覆盖较薄的水层，以避免收缩裂缝的产生。４结论京沈客运专线为国内首例采用预应力混凝土槽型梁的高速铁路工程，对混凝土裂缝的控制要求较高，因此在施工时应格外注意温度应力对混凝土裂缝的影响。本文采用ＭＩＤＡＳ／Ｃｉｖｉl软件建模并进行水化热分析，得到了浇筑混凝土各阶段的最大温度及最大拉应力的大小及出现位置，为施工时可能出现的问题提供了理论依据与技术控制措施。参考文献［１］卢文良，季文玉，杜进生.铁路混凝土箱梁温度场及温度效应［Ｊ］.中国铁道科学，２00６，２７（６）：４９-５４.［２］施惠生，黄小亚.水泥混凝土水化热的研究与进展［Ｊ］.水泥技术：设计与研究，２00９（６）：２１-２６.［３］朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制［Ｍ］.北京：中国电力出版社，１９９９：２５-３0.［４］刘琳莉.桥梁大体积混凝土水化热施工控制研究［Ｄ］.成都：西南交通大学，２0１0：２５-３0.［５］高云.上海轨道６号线槽型梁施工若干问题研究［Ｄ］.上海：同济大学，２00７：２３-２8.［６］袁广林，黄方意，沈华，等.大体积混凝土施工期的水化热温度场及温度应力研究［Ｊ］.混凝土，２00５（２）：8６-88.［７］陈保国，丁锐，郑俊杰，等.预应力混凝土箱梁温度场及温度应力现场测试研究［Ｊ］.华中科技大学学报，２00７（４）：8３-8７.［8］秦煜，刘来君，张柳煜，等.混凝土箱梁水化热温度徐变应变分析［Ｊ］.中南大学学报，２0１２（8）：３２５0-３２５６.［９］陈志坚，顾斌.大型混凝土箱梁水化热温度场的数值模拟［Ｊ］.公路交通科技，２0１２，２９（３）：６４-６９.［１0］方宇.大跨径箱梁混凝土的水化热温度监控分析及对策研究［Ｊ］.湖南交通科技，２0１0，３６（２）：１３8-１４0.［１１］王金海.预应力混凝土箱梁水化热裂缝控制与预防［Ｊ］.公路工程，２0１２，３７（２）：１７２-１７５.［１２］尹斌.大体积混凝土水化热分析及温度控制措施［Ｄ］.长沙：长沙理工大学，２0１４：檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪４５-４７.（上接第３１页）对投资额度严格限制，在这种情况下，应采用适度的技术标准，并充分利用既有设施。在国外改造方案的设计中，不仅要优先采用中国技术标准，也要尽力推广使用中国的装备，不仅能推动我国铁路技“”“术的走出去，也推动了我国铁路装备的走出”去，这应该作为铁路设计者在国外铁路升级改造设计研究工作中应积极推广的模式。参考文献［１］李宝仁.“”中国铁路走出去投融资战略［Ｊ］.中国铁路，２0１５（７）：６-９.［２］韩冰营.刚果（金）港口及铁路改造项目预可行性研究报告［Ｒ］.北京：中铁第五勘察设计院集团有限公司，２0１７.［３］ＴＢ１000１２00５铁路路基设计规范［Ｓ］.［４］魏建成.新建锦州至赤峰铁路高架桥线路方案研究［Ｊ］.铁道建筑技术，２0１４（8）：６３-６５.［５］王勇.平原、丘陵地区铁路选线设计研究［Ｊ］.铁道建筑技术，２0１６（４）：１00-１0２.［６］陈园园.关于太和铁路越岭地段选线的研究［Ｊ］.铁道建筑技术，２0１３（１0）：３１-３２.［７］ＧＢ１000１２00５铁路线路设计规范［Ｓ］.［8］林世金.对既有线提速改造的思考［Ｊ］.铁道工程学报，２00７（６）：１５-３４.［９］马慧君.旋喷桩在桥梁基础加固中的应用［Ｊ］.铁道标准设计，２00９（７）：６５-６６.［１0］崔庆生，刘守忠.铁路车站及枢纽设计规范［Ｍ］.北京：中国计划出版社，２00６：７-２４.［１１］王云涛.铁路信号设备可靠性探讨［Ｊ］.信息通信，２0１５（９）：２２３-２２４.［１２］刘海龙.铁路信号用电设计浅谈［Ｊ］.铁道建筑技术，２0１３（Ｓ１）：２0７-２0９.８４铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２0１７（0４）万方数据