零号块水化热分析

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箱梁零号块水化热分析 箱梁零号块水化热分析 第25卷第1期2011年2月土工基础SoilEng.andFoundationV_oJ.25NO.1Feb.20l1箱梁零号块水化热分析i寿珍(中铁十四局集团第三工程有限公司,山东兖州271200)摘要:箱梁零号块由于混凝土体积较大,施工过程中,水泥水化反应放热,导致混凝土在硬化期间承受了较大的温度应力,采用瞬态热应力有限元分析方法,对箱梁零号块进行了温度场和应力场分析.分析了箱粱零号块在浇筑后不同时间段的温度场和应力场.总结了箱梁零号块水化热反应期间梁体受力不利部位.同时为了降低混凝土水化热,对不同水泥含量的混凝土进行了水化热分析,分析结果表明:低放热水泥能有效降低箱梁零号块的温度应力,大大降低混凝土开裂风险.关键词:箱梁,水化热,有限元,温度场中图分类号:TU528文献标识码:B文章编号:1004—3152(2O11)01—0041-041绪论混凝土水化热温度场和应力场是一个很复杂的问题,涉及多个领域.混凝土浇注以后,由于水化热的散发与对流边界条件和浇注时差相关,温度应力场的变化与混凝土弹性模量以及微观结构的变化是同步发展的,所以在早期混凝土温度及应力计算中,必须考虑放热量,浇注条件及混凝土弹性模量与密度的变化规律.混凝土结构温度场分析的关键是绝热温升模型,朱伯芳口通过绝热温升的试验研究,提出了温度对水泥水化反应速率影响的绝热温升表达式;凌盛道等]在此基础上,从化学反应动力学原理出发,提出了:考虑温度和化学反应物浓度对水泥水化反应速率影响的水泥水化反应放热模型.本文在上述研究的基础上,同时综合考虑温度,混凝土材料特性,混凝土早期强度的形成,混凝土水泥水化热和对流边界条件的时间效应及浇注时差等因素l4],分析水化热温度场时效计算模式;在对箱梁水化热温度场监测的基础上,运用有限元分析软件建立箱梁实体模型对箱梁零号块进行了温度场和应力场分析.分析了箱梁零号块在浇筑后不同时问段的温度场和应力场.总结了箱梁零号块水化热反应期间梁体受力不利部位.同时为了降低混凝土水化热,对不同水泥含量的混凝土进行了水化热分析,以便更好地模拟实际工程结构,可供类似工程借鉴.收稿日期:201O-02—01作者简介:王孝珍,男,1973年生,工程师,主要从事工程管理的工作.2水化热有限元分析水化热分析可分为热传导分析与热应力分析.热传导分析主要计算水泥的水化过程中发热,传导,对流等引起的随时间变化的节点温度.将节点温度作为荷载加载后,计算随时间变化的应力称为热应力分析.一般来说,通用有限元程序非稳态温度场计算的原理和方法都是一致的,现简介如下:某瞬时物体内部各点的温度分布称为该物体的温度场,数学表达式为T—f(x,,,r)(1)由于水化热作用,处在施工阶段的实体混凝土桥墩的温度场属于非稳态温度场.水化热作用下,热传导方程为uOT一.(筹v-+塑Oy2+)+(2)一.十一十十z式中:T为物体的瞬态温度(.C);r为时间(h);-z,和为空间笛卡尔坐标(m);n为导温系数n—/cJ0(m/h);为导热系数(kJ/m?h?℃);p为材料的密度(kg/m.);C为材料的比热容(kJ/kg?℃);O为混凝土的绝热温升(℃ ).初始条件有两种情况,一是,当r—o时,温度场是坐标的已知函数:T(,Y,z,0)一T.(,Y,)(3)42土工基础另一种是,当r一0时,初始的温度分布是常数,即T—f(x,Y,z,0)一T0一const(4)边界条件通常有三种.(1)第一类边界条件混凝土表面温度T是时间的已知函数,即T(r)一(r)(5)(2)第二类边界条件混凝土表面的热流量是时间的已知函数,即一A,一厂(r)(6)一=--一Jr/u/式中:n为表面外法线方向.若表面是绝热的,则有===o(7)(3)第三类边界条件当混凝土与空气接触时,假定经过混凝土表面的热流量与混凝土表面温度T和气温T.之差成正比,即一一(T—To)(8)on’式中:口为表面放热系数(kJ/m?h?℃ ).当表面放热系数趋于无限时,T—,即转化为第一类边界条件.当表面放热系数一0时,DT一0,又转化为绝热条件.第三类边界条件表示了固体与流体(如空气)接触时的传热条件.3桥梁简介桥梁工程上部结构:为2×(3×50)预应力混凝土预制连续T梁+(90+4×160+90)预应力混凝土连续钢构+2×(4×50)+(3×50)预应力混凝土预制连续T梁+(5×3O+30)装配式预应力混凝土箱形连续梁.图3浇筑后第3天桥梁工程下部结构:柱式墩,薄壁空心墩,肋式台,桩基础.桥梁双幅总宽34.5m,单幅宽17.25ITI.桩基425根,承台57个,墩柱30个,薄壁空心墩54个,主桥连续钢构6跨.箱梁截面尺寸图参见图1和图2.图1支座部位截面尺寸(单位:m)图2跨中截面尺寸(单位:m)4混凝土中水泥含量对水化热的影响4.1普通混凝土(水泥含量490kg/m)混凝土浇筑后,温度将因水泥的水化热而逐渐上升,但通过浇筑层面将散失一部分热量,因此,浇筑层内部的温度升高值将低于混凝土的绝热温升.通常把考虑层面散热作用后,由于水化热而在浇筑层中引起的温度升高称为水化热温升.水泥含量对结构的温度场和应力影响很大,现取水泥含量490kg/m.进行计算分析,模板为钢模板.图3～图5为在浇筑后不同时间下构件的温度应力场.图4浇筑后18天可以看出:(1)每一层浇筑后的第三天混凝土的放热最大,图5浇筑后3O天之后进入放热阶段.(2)箱梁浇筑放热阶段,中隔板的中间部位为温第1期王孝珍:箱梁零号块水化热分析43度较大部位.为了分析冷却水管对箱梁温度场的影响,取3天时的冷却水管部位的温度场进行分析(图6).可以看出,由于冷却水管中冷却水带走了混凝土中的热量,所以总体上混凝土的温度降低了,而温度梯度图6冷却水管部位混凝土的应力场在冷却水管的交叉部位较大.以下分析箱梁零号块不同时问的混凝土主拉应力分布情况,为了分析零号块中较易开裂的部位,提取模型中应力超过混凝土抗拉强度的分布区域,并显示模型中的混凝土主拉应力等值面(图7,图8).图7混凝±浇筑3天后的混凝土主拉应力为3MPa的等值面可以看出:(1)采用普通硅酸盐混凝土(不掺加混合料),箱梁零号块在第一层浇筑3天后,混凝土的主拉应力超过抗拉设计强度的区域较大.(2)采用设计院的管冷方案,底板不易出现开裂,零号块容易开裂的位置为4个横隔板位置,且入孔位置最容易出现开裂.(3)温度云图显示,箱梁零号块中隔板的中间部位在放热阶段为温度最高部位,而应力图显示,应力在该部位并不是最大.分析其原因,主要是因为应力与温度梯度有关系,所以该部位不是箱梁零号块浇筑期间的危险部位.4.2低放热混凝土(水泥含量300kg/m.J采用低放热混凝土进行计算分析,混凝土中的水泥含量为300kg/m..浇筑3天后,混凝土放热量最大,因此分别取箱梁零号块浇筑3天和18天后的温度和应力计算结果(图9,图10).图9浇筑混凝土3天后的箱梁温度场图8混凝土浇筑l8天后的混凝土主拉应力为3MPa的等值面图1O18天时的箱梁零号块温度场分析得出:(1)采用低放热混凝土,放热阶段的温度最高部位和普通混凝土浇筑的箱梁类似.(2)普通硅酸盐混凝土箱梁最大温差为60℃,而低放热混凝土浇筑的箱梁最大温差仅3O℃ ,采用低放热混凝土能够有效降低混凝土的温度差.比较不同材料的混凝土应力场计算结果.浇筑3天后的主拉应力等值面见图11.(1)普通混凝土44土工基础2O11f2)低热混凝土图l1混凝土主拉应力为3MPa的等值面可以看出,采用低热混凝土有效地降低了混凝土的主拉应力.为了进一步分析混凝土开裂区域,现取 主拉应力2.5MPa的等值面进行分析(图12,图13).图12混凝土主拉应力为2.5MPa的等值面(3天)图l3混凝土主拉应力为2.5MPa的等值面(18天)可以看出:(1)下层混凝土浇筑3天后,采用低热混凝土,箱梁入孔部位还有开裂的风险.(2)零号块施工18天时,箱梁顶板端部部位局部位置有开裂风险,实际工程中,可以采用浇水降温,降低该区域的混凝土温度梯度,以降低开裂风险.5小结(1)箱梁浇筑后第三天时,水化热对梁体受力最不利.(2)冷却水管能有效降低混凝土开裂风险.(3)采用低放热混凝土,混凝土放热阶段的温度最高部位和普通混凝土浇筑的箱梁类似.(4)采用低放热水泥混凝土能有效降低箱梁开裂风险.(5)箱梁入孔部位为混凝土水化热期问最易开裂部位,因此,该部位应加强混凝土浇筑和养生工艺控制.参考文献[1]朱伯芳.考虑温度影响的混凝土绝热温升表达式[J].水利发电学报,2003(2)E23凌道盛,许德胜,沈益源.混凝土中水泥水化反应放热水化反应放热模型及其应用[刀.浙江大学学报(工学版),2005,39(11)[3]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京:中国建筑工业出版社,2000[43MoLV.DengM.ThermalbehaviorofcementMatrixwithhigtl-volumemineraladmixturesatearlyage[J].CementandConcreteResearch,2006,36(10)E52杨秋玲,马可栓.大体积混凝土水化热温度场三维有限元分析EJ].哈尔滨工业大学学报,2004,36(2)[6]张澳,刘斌,贺拴海等.桥梁大体积混凝土温度控制与防裂I-J].长安大学学报(自然科学版),2006,26(3)[7]刘来君,贺拴海,宋一凡.大跨径桥梁施工控制温度应力分析EJ].中国公路学报,2004,17(1)E83张岗,贺拴海,宋一凡.混凝土箱梁水化热温度损伤修正耦合方法EJ].交通运输工程学报,2008,8(1)[9]阮静,叶见曙,谢发祥等.高强度混凝土水化热的研究口].东南大学学报(自然科学版),2001,31(3)[10]李东,潘育耕.混凝土水化热瞬态温度场数值计算过程中的水化放热规律及水化速率问题[J].西安建筑科技大学学报,1999,31(3)[113王勖成.有限单元法[M].北京:清华大学出版社,2003(下转第60页)60土工基础2O11GeoenvironmentalProblemsonLandfills0fMunicipalSolidWasteXIEYan(SchoolofEarthScienceandEnvironmental,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,HuainanAnhui232001,China)AbstractLandfillofmunicipalsolidwaste(MSW)isaspecialkindofgeotechnicalstructuresconstructedwithlinearsystemandcollectionsystemforgasandleachate.ThecharacteristicsofMSWisdifferentfromothersoils,becauseofitsgreatgrains,complicatedcomponentsandhightemperature.Theosmoticsuctionisinfluencedbythesoluteofleachate.ThecompressionofMSWisinfluencedbythebio—degradation,whileitsstrengthisinfluencedbythereinforcementsofthefibermaterials.Soilandgroundwaterareeasilycontaminatedtheleakageofleachate,inwhichthreedifferenttransporttypesofcontaminantsincludes:therulesofadvection,diffusionandadsorption.Theinfluenceofmultifieldcouplingactionofsolid,gas,liquid,andthermoshouldbeconsideredforthesettlementcalculationandstabilityanalysisandtheinfluenceofthesuctionshouldbefurtherstud—ied.KeywordsMSW,settlementcalculation,stabilityanalysis,transportofcontaminants,solid—gas—liquid—thermomulticoupling(上接第44页)HydrationHeatAnalysisofBoxGirderWANGXiaozhen(3EngingeeringCo.,Ltd,ChinaRailway14thBureauGroup,YanzhouShandong271200,China)AbstractTherewasahugethermalstressofconcreteinboxgirderduringitshardeningforthelargeconcretevolumeandthehydrationheatofcement.Thetemperaturefieldandthestressfieldofboxgirderwere~.analyzedbythefiniteelementmethodfortransientthermalstress,inwhichitstemperaturefieldandstressfieldwereanalyzedduringdifferentperiodsafterconcretepouringanditsdisadvantageousbearingpositionsduringcementhydrationweresummarized.MeanwhileinordertOdegradethehydrationheat,thehydrationheatofconcretecontainingdifferentquantitiesofcementwasanalyzed.Resultsshowedthatthethermalstressofboxgirderwasreducedbylow-heatcement,whichindicatedthecrackingriskofconcretewasreduced.Keywordsboxgirder,hydrationheat,finiteelementmethod,temperaturefield更正说明本刊2010年第24卷第6期第66页的”ExperimentalResearchonhumidificationdeformationcharac—teristicsofexpansivesoilinnorthwestarea”的作者为徐亚利,鲁洁.作者第一单位为:西安建筑科技大学土木学院,第二单位为:皖西学院城市建设与环境系.特此说明