铁路斜拉桥桥塔下横梁水化热分析

Author ：Abstract ：In the process of large-volume concrete construction， the heat of hydration is the main cause of cracks in large-volume concrete structures. In this paper， taking the long-span steel truss cable-stayed bridge and the auxiliary channel bridge of a high-speed railway under construction as the engineering background， the hydration heat of the large-volume concrete under the main tower is analyzed from different thermal parameters such as wind speed， ambient temperature， mold entry temperature， and the design parameters of concrete materials and tube cooling by using the finite element software Midas FEA， and the variation trend of the temperature field and stress field is studied to optimize the parameters. The results show that the thermal conductivity and specific heat capacity of C60 concrete show good results in the process of hydration and exothermic of large-volume concrete. At the same time， the natural water temperature of and the cooling water mass flow rate of 1500kg/h can be selected to achieve a more ideal tube cooling effect. The results of this study can effectively prevent the occurrence of hydration thermal cracks， and provide reference for the same type of engineering practice.

Key words ：railway bridge; heat of hydration; model test; pylon lower beams; Civil engineering materials

斜拉桥桥塔是斜拉桥结构体系中的关键构件，其施工质量与性能关系到全桥结构的安全性与适用性。混凝土桥塔属于大体积混凝土结构，大体积混凝土在施工阶段水化热是其产生裂缝的主要原因，因此开展桥塔水化热分析，研究其影响因素进而控制其温度裂缝具有重要的工程意义。

关于大体积混凝土结构水化 分析单元为基础的数值计算方法。即借 响水化热温度场的若干因 调控原则 王松等人 刘庆阳等人利用有限元 朱优平等以极坐标系下 提出了大体积混凝土温 解析模型，计算了混 桥梁的影响。结构，桥塔全高（塔座顶面至塔顶）170.0m，大体积混凝 土水化热不

1 桥塔下横梁浇筑数值模型

1.1 工程背景

本文研究以某在建高速铁路大跨度钢桁梁斜拉桥副汊航道桥为工程背景。该桥主跨采用 392m 双塔钢桁梁斜拉桥，主塔为A 型桥塔，高170.0m，塔座采用C50 混凝土，塔柱、横梁与主塔横梁支座采用C60 混凝土。本文主要以大体积混凝土为特征的桥塔下横梁为研究对象（见图1）开展研究。

图1 A 型桥塔下横梁示意图（单位：cm）

1.2 模型建立方法

采用有限元软件 Midas FEA，以下横梁剖面图为例建立下横梁精细模型，建立几何单元体，随后进行网格分，共计37424 个单元。

按照背景工程所处地点的年统计数据，平均环境温度设为 20℃。根据现场监测数据，环境平均风速 v 设为 15m/s，混凝土入模温度设为 20℃。利用有限元软件 Midas FEA NX 计算出下横梁的水化热温度分布与相应的结构力学状态。

2 不同参数对桥塔浇筑的影响分析

利用所建立的有限元模型，以下横梁为例，针对大体积混凝土桥塔浇筑关键热学参数以及材料时变特性进行分析，研究其对下横梁水化热温度场及应力场的影响。根据 Midas FEA NX 有限元软件的数值模拟，选择如下图所示各特征点进行计算：

由于结构具有对称性，故在同一侧取各特征点进行计算。其中①为外表面特征点，②为混凝土内部特征点，③为下横梁温度极值点。

2.1 关键热学参数分析

大体积混凝土的水化热受多种热学参数影响， 本文选取四种典型热学参数（风速、环境温度、入模温度和浇筑温度）进行水化热分析研究其对桥塔浇筑 度场及应力场的影响。利用有限元软件进行水化热模拟计算，得出相应的计算结果。各不同参数作用下温度场的总体变化相似，故以风速 15m/s，环境温度 20℃，入模温度20℃为例呈现下横梁水化热温度应力云图如下图所示：

2.1.1 不同风速下温度场与应力场分析

风速是衡量风环境的关键参数，直接影响到大体积混凝土表面换热系数的取值。本文采用平均风速作为实际风速的描述方法，选取三种典型风速（v=5，15，25m/s），依据文献计算出三种风速下表面换热系数分别为（28.12，62.42，95.72kJ· [1]。

图5 不同风速下温度极值时程曲线  图6 不同风速下温差时程曲线

从图 5 中可以看出，各风速下的温度变化曲线呈现相似的趋势。风速在降温阶段的作用显著，随着风速的增大，水化热温度的最大值逐渐降低并最终趋于稳定值。计算出三种风速下的温差，以③号点与①号点之间温度差值作为标准温差进行分析（见图 6）。由图可知，龄期25d 之前的温差在30℃以上，龄期30d 之后的温差基本低于25℃，混凝土开裂的可能性大幅度提高。

观察图7，由前半段曲线可得知风速越大导致混凝土的最大主拉应力越大，同风速与温度极值的关系相吻合。此外，随着风速的降低，最大主拉应力曲线的攀升逐渐趋于平缓。

2.1.2 不同环境温度下温度场与应力场分析

大体积混凝土浇筑时的环境温度对其温度场与应力场有一定的影响。在风速与入模温度一定的条件下，本文选取15、20、25℃三种典型环境温度对大体积混凝土进行水化热分析。[6-7]

由图 8 可见，温度极值时程曲线在不同环境温度下与风速变化的趋势基本相符。随着环境温度的升高，温度极值也随之增加，最终趋于平稳时的温度亦随之上升。计算三种不同环境温度下的温差，由图 9 可以看出环境温度越高，初始温差越低，三条曲线走势基本一致，并在30d 后下降到25℃左右。

由图可知，随着环境温度的升高，最大主拉应力也随之增大，且环境温度对于最大主拉应力的影响高于风速对其的影响。

2.1.3 不同入模温度下温度场与应力场分析本文选取15、20、25℃三种典型入模温度对大体积混凝土的温度场与应力场进行分析。

由图可知，温度极值随入模温度的升高而增加。同时与图 5 相比，在不同入模温度作用下，大体积混凝土在短龄期内的温度极值相差较大，最终趋于平缓且温度相近。

观察不同入模温度下最终的计算结果（见表 1），可发现其内外温差与不同环境温度下内外温差结果相反，在不同入模温度影响下，入模温度越高，短龄期内的内外温差越大。由图 12 可知，最大主拉应力随着入模温度的升高而逐渐降低，并渐渐趋于平缓。

2.1.4 不同浇筑温度下温度场与应力场分析混凝土浇筑时的温度对其温度场与应力场也有一定的影响。本文选取三种典型浇筑温度 15，20，25℃对大体积混凝土进行分析。

图14 不同浇筑温度下温差时程曲线图

由图 13 可知，浇筑温度越高，混凝土的温度极值越高；与图 11 相比，温度极值有所降低，说明浇筑温度对混凝土水化热的影响要略小于入模温度。经过计算得出不同浇筑温度下温差时程曲线图（图 14），可以看出龄期30d 之前里表温差都＞25℃，大体积混凝土开裂的可能性很大。

由图15 可知，浇筑温度越低，最大主拉应力曲线攀升的幅度越高，并在最终趋于温度时的温度也就越高。

2.2 混凝土材料对比分析

混凝土的种类不同，其时变特性也有一定的区别，时变特性的改变会导致混凝土温度场与应力场的变化。下文取风速 15m/s，环境温度 20℃，入模温度 20℃，分别选取 C40、C50、C60 和 C70 混凝土浇筑下横梁并对其进行水化热分析。

由图可知，分别用四种材料浇筑 度极值曲线走势基本一致，由于材料不同，传导率与比热也不同，使得 C40 混凝土浇筑的 降较快，C50 混凝土次之。与不同风速下温度极值时程曲线相比，材料对于大体积混凝土水 风速。 图 17 表明，材料强度越高，产生的最大主拉应力越大；随着材料强度的降低，最大主拉应力的增长幅度也逐渐减小，并逐渐趋于稳定。

2.3 管冷设计参数分析

2.3.1 有无冷水管温度场分析

下文取 C60 混凝土，风速 15m/s ，环境温度 15℃，入模温度 25℃为样本，以冷却水流入温度 20℃进行对比分析。

由于该模型为对称结构，故在一侧铺设冷水管，另一侧作为对照组观察温度变化（其中，图 18 左侧为铺设冷水管组，图19 右侧为铺设冷水管组）。

由图20 可知。添加冷水管后，温度极值与未添加冷水管时有较明显的差异， 下降到74℃左右，其最高温度下降15℃左右，混凝土浇筑体在入模温度基础上的温升值未大 里表温差未大于 25℃，满足大体积混凝土施工温控指标。由此可发现，在大体积混凝土下横梁内部铺设冷水管可以有效降低混凝土水化热产生的热量，保证温控指标满足要求。

2.3.2 冷却水温度分析

一般来说，冷却水的温度越低，冷水管与混凝土之间的热交换越大，大体积混凝土温度的降低越明显，但冷却水与混凝土之间的温差较大会导致温度应力的增大从而增加混凝土开裂的可能性。故采用冷却水温度分别为 5、10、15、20℃工况下利用有限元软件进行模拟分析，计算结果见表2。

分别对冷却水质量流率为 500kg/h、1000kg/h、1500kg/h、2000kg/h 四种工况进行计算分析，保持其他变量不变，凝土内部最高温度变化情况见表3。

1）随着环境平均风速的增加，大体积混凝土桥塔下横梁内的温度极值逐渐降低，但混凝土主拉应力随之增大，从而导致混凝土开裂的可能性增大。

2）环境温度增高使大体积混凝土最终趋于 平稳的温度极值由 24℃升高到 37℃，由此可见环境温度对于大体积混凝土的水化放热过程具有较大影响，入模温度的升高使短龄期内的内外温差由50℃增加到56℃。3）

4）用强度较低的混凝土进行浇筑能够减 体积混凝土水化热时放出的热量，且最大主拉应力也相对降低，但强度较低难以承受下横梁上部结构传来的荷载。5）降低冷却水的初始温度可以有限的较低混凝土内部的最高温度，最高可减低 3.2℃左右，但冷却水与混凝土温差会增加12℃左右，继而增加大体积混凝土开裂的可能性，故采用20℃的冷却水即可满足规范要求。

参考文献

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作者简介：郭小楠，高级工程师，最高学历：本科（安徽建筑大学），土工工程；中共党员。