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混凝土水化热引起的大体积桥墩温度场的试验与有限元研究

Yonghui Huang ^a, Guoxing Liu ^a, Shiping Huang ^b,uArr;, Rui Rao ^a, Changfu Hu ^c

广州大学-淡江大学工程结构灾害防治联合研究中心，广州大学，广州510006

华南理工大学土木工程与交通学院，广州510640

华东交通大学土木工程与建筑学院，南昌330013

亮点

测量了桥墩模型中水化热引起的温度场

建立了试验墩水化热有限元模型

对实验数据和有限元分析结果进行了比较

研究了热工参数对大体积混凝土热性能的影响

管材冷却是降低水化热的有效方法

1介绍

由水泥水化热引起的温度变化引起的热裂缝，经常发生在大体积混凝土结构中，如桥墩和混凝土箱形梁[1]。由热变化和约束引起的膨胀和收缩的组合导致混凝土中拉应力的发展，当拉应力大于混凝土的抗拉强度时，裂缝将发生在[2–6]。热裂缝导致很有可能出现穿透结构构件的裂缝以及表面的微裂缝，这些裂缝可能会影响混凝土结构的性能、适用性和耐久性([7–9]。除了热裂缝外，水化热还与延迟钙矾石形成(DEF)有关，延迟钙矾石形成主要由热处理或水泥水化的自然放热反应引起，当温度超过给定的阈值[10–12]时可能会发生。这种病理可以导致混凝土膨胀约2%，并导致严重的损坏，如裂缝[13]。因此，随着越来越高的混凝土基础设施越来越普遍，大体积混凝土中由水化热引起的裂缝成为越来越严重的问题。

在浇筑大体积混凝土之前，工程师需要预测水泥水化热。然而，现有桥梁规范中没有计算水化热温度场的特殊规定。总的来说，已经进行了许多研究来研究[14，15]型水泥、[16-1]8型混凝土、[19]型养护方法、[20，21]型混合料和[22-24]型外加剂对混凝土水化热的影响，但大多数研究是在实验室中用小样品和半绝热条件进行的。很少能找到在实际工程中应用实验研究的研究。其中，Li等[25]通过足尺模型试验研究了桥梁预制节段墩湿接缝的水化热及养护方法。塔赫西玛和蒂卡尔斯基·[26]提出了一种对掺有石灰石水泥的混凝土楼板水化热的有限元模型，并将有限元分析结果与施工现场热电偶测量的结果进行了比较。塔赫西玛和蒂卡尔斯基[27–28]还通过实验研究了大体积和薄混凝土辐射地板的加热性能，并开发了大体积混凝土辐射地板的全三维有限元模型。Dwairi等人([29)介绍了在浇筑过程中测量的仪表化预应力高性能混凝土桥梁的温度梯度。桥墩的适用性和耐久性对桥梁的安全尤为重要；然而，如上所述，很少能发现关于水泥水化热引起的桥墩热行为的研究。因此，对桥墩大体积混凝土的温度场进行实验研究，提出一种有效的控制大体积混凝土温度的技术来控制裂缝是十分重要的。

本文以广州凤凰二桥为例，在大体积混凝土桥墩上进行了1:5比例分段模型试验研究。记录了混凝土内部的温度时程和部分截面的温度等值线。通过商用有限元软件Midas/Civil[30]，采用有限元方法模拟水化温度场。在此基础上，进行了参数分析，探讨了热参数对热行为的影响，并提出了一种有效的热控制方法。提出了用冷水对管道进行冷却的方法。最后进行热应力分析，判断水化过程中是否会出现热裂纹

2. 项目概况

凤凰桥位于广州市南沙区，是世界上最长的向日葵拱桥之一。这座桥的总长度为312米，跨度为40米 4* 58米 40米[31]。该桥梁包括两个具有相同结构细节的侧桥。桥面宽度为19.5 m，桥面间距为1.2 m。主拱跨度58 m，升跨比1/7，拱肋跨度18.4 m，升跨比1/5。该桥的布置如图1所示。为了研究该类型拱桥的受力性能，以2号墩上部结构为基础(如图1所示)，制作了1:5比例的试验模型，并进行了[31]模型试验。在试验模型浇筑过程中，对混凝土水化热引起的桥墩温度场进行了测试。

3.实验

3.1测试模型制作

凤凰二桥试验模型分三个阶段制作，如图2所示。首先，固化地下室的混凝土。第二步，地下室固化28天后，对墩和主拱的混凝土进行固化。第三，主拱固化28天后，对拱肋混凝土进行养护。模型制作中使用的模板为厚度为20mm的木模板。浇筑混凝土后，模型外表面覆盖湿麻袋，如图2(e)所示。在最初的七天里，每两个小时浇一次水;从第8天到第28天，每天浇灌3次。

对组成材料的性能进行了表征，并在试拌后确定了C50级混凝土。混凝土的配合比如表1所示。混凝土浇筑的主要产热参数是膏体。可以发现，该膏体有525级I型水泥，15% C型粉煤灰和水。水胶凝材料比(w/c)为0.39时应考虑传热建模。集料是由天然砂粒组成的细集料，由粗集料组成的粗集料。28天后混凝土的平均立方体强度为65.2 MPa

T型铜-康铜热电偶精度为0.1℃，温度范围为60℃至220℃，它们被嵌入桥墩内，以监测混凝土内部的温度分布。热电偶的排列如图3所示。有三个测试部分，共75个热电偶，每个部分25个热电偶，以相同的间隔连接在箍筋上。此外，一个热电偶位于混凝土外测量环境温度。所有热数据均由同一数据记录仪每10分钟记录一次(见图4)。

4. 有限元模拟

4.1传热建模

有限元法是模拟不同介质中传热行为的一种有效方法;因此，它被用来进行大体积混凝土的热分析。完成三维瞬态热分析，监测混凝土内部温度随时间的变化。热扩散方程为

单位体积产热率是(J/(h . m3) 是混凝土的密度(kg/m3) Cp是比热容(J/(kg C)), k是热导率(J/(m h C)), T是温度

由式(2)计算水化内热，式(2)为左边提出的指数函数

表1混凝土配合比设计

基于[33]的绝热温升试验研究

通过方程式。(1)、(3)根据水化热的边界条件，预测水化热产生的混凝土内部温度分布。

4.2有限元模型

采用商用软件Midas/Civil对大体积混凝土[30]的水化热进行了分析。利用Midas/Civil软件，利用有限元法(FEM)实现了4.1节中介绍的传热模型，该模型可以模拟不同养护方法与管道冷却相关参数的水化热分析。在考虑截面对称性的基础上，建立了水化热有限元模型。由于拱肋是在墩柱和主拱固化28天后浇筑的，因此对墩柱和主拱的温度没有影响，只对地基、地下室、墩柱和主拱进行了建模。对流系数和环境温度被分配到模型的表面作为热边界。经过仔细的网格收敛研究，将合适的网格尺寸设置为0.125 m，使用Midas/Civi建立模型

(a) 前视图 (b) 侧视图

图4 热电偶在箍筋上的位置

节点5359个，实体混凝土单元4130个，如图5所示。

4.3热分析的输入参数

绝热温升的最终量(Q1)和温升系数(a)与水泥类型有关。由参考[34]可知，对于本实验使用的普通型波特兰水泥(I型)，Q1和a的取值分别为Q1= 69.2°和a = 2.42。FE模型的其他热参数列于表2，根据GB/T 500812002[35]标准试验，对混凝土的弹性模量、密度和泊松比进行了评价。比热、导热系数、对流系数、热膨胀系数参照GB50496-2009规范[34]

5. 结果和讨论

5.1

由于篇幅的限制，本文仅介绍部分试验结果。部分测试点的温度时间历程如图6所示。从图中可以看出，温度开始随着时间的增加而增加，然后达到最大值。随后，温度开始非线性下降。温度升高的速率非常快，而温度下降的速率比较慢。最高温度出现在时间=18h,这意味着混凝土的水化热达到峰值时间=18 h。最后的测试时间=56h,温度继续下降,并没有达到一个稳定值对环境温度。同样可以看出，在同一截面上，温度从混凝土的外表面升高到混凝土的内部。如图6(a)所示，内测点A12、A13、A14的温度均大于外测点A11、A15的温度，从图6(b) - (f)可以看出相同的趋势。A、B、C切片的测试最高温度分别为86.8℃、85.3℃、69.9℃。section A和section B的温度比section C高，因为它们位于混凝土的中间，而section C靠近模型的基底，可以更快的散热。

表2有限元模型混凝土的热参数

根据同一截面25个热电偶记录的温度，绘制出测试截面在= 20h时的温度等值线，如图7所示。从图中可以看出，各截面的温度等值线几乎是对称的，温度从中心逐渐下降到外表面。A、B、C段最高温度分别为86.6℃、84.8℃、69.8℃。截面A、B、C从中心到表面的温差分别为30.6℃、25.7℃、27.6℃，这样的温差会导致混凝土开裂。

5.2有限元结果与比较

不同时间的有限元计算温度等值线如图8所示。当时间=10h时，墩心处最高温度达到69.4℃，大部分地区温度较高，范围从54.1℃到69.4℃此外，地下室和地面几乎没有温度升高。当时间=20h时，墩心处最高温度升至81.2℃，墩身温度梯度增大。在时间=48h时，高温区域集中在墩的小范围内，最高温度降至65.7℃，墩下基底温度开始升高。在时间= 120h时，最高温度降至36.5℃，高温区域由桥墩上部向桥墩下部移动。此外，地下室和地面的温度也提高了很多。

在时间=20h时，不同截面对应的温度等值线如图9所示。对比图7和图9可知，实测温度场与有限元模拟结果一致，验证了有限元模型的准确性。

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