高速铁路槽型粱施工过程中的温度应力分析及应用

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摘要：高速铁路槽型梁结构复杂、混凝土方量大，施工过程中易产生较大内外温差，因此要进行温度控制，保证混凝土施工质量，本文通过对新建沪昆高速铁路长沙枢纽南西、西北上行联络线特特大桥大跨度槽型梁施工过程中的温度场与温度应力进行仿真分析，计算了混凝土内部温度场及仿真应力场，从而采取施工措施有效地控制了混凝土的施工质量，对类似工程具有一定的借鉴作用。

关键词：水化热；环境；温度；应力；分析应用

引言

预应力混凝土槽形梁，是一种下承式的预应力混凝土结构。它是由行车道床板，主梁及端横梁等部分组成。现在的槽形梁结构由于施工技术、施工设备等因素，大部分做成简支结构。近年来，随着施工技术水平的不断提高，首先在公路桥上尝试使用连续结构，至于在高速铁路上的使用，几无先例。

当列车荷载作用在桥面上时，荷载通过道床板传给主梁，再由主梁传到支座。所以道床板是直接承受荷载的，其厚度主要取决于横向跨度的大小。一般有碴单线槽形梁的道床板厚度可取40一50cm，有碴双线槽形梁可取60一65cm。

主梁承受从道床板传来的荷载，这种荷载除引起主梁的弯曲之外，还引起主梁的扭转。主梁的形式有I形，Γ形，箱形，U形等，如图1所示。当主梁跨度不大时可用I形；跨度大时，采用箱形以增大其抗扭刚度。由于列车在两主梁之间通过，为了减小主梁间距，减小道床板的横向跨度，还可利用铁路限界下部的缩小部分，将腹板做成斜的，并将主梁上翼缘的大部分移向外侧，做成Γ形，称为斜墙式；若主梁腹板是竖直的，就称为直墙式。

由于槽形梁的构造特点与一般上承式混凝土梁有很多不同之处，对施工也提出了新的要求，主要表现在以下两个方面：

（1）梁内要在三个方向施加预应力，对预应力工艺提出了新的要求。

（2）施工过程中温度控制要求高。一是梁横向宽，底部道床板面积大，混凝土的体积也比较大。二是梁内纵向、横向与竖向预应力筋的管道相互交叉。由混凝土的水化热和环境温度影响势必造成较大的内外温差，这要求施工过程中要掌握较为全面的混凝土温度场和温度应力的分布，从而有效控制温度。

1工程概况

新建沪昆高速铁路长沙枢纽南西、西北上行联络线特大桥孔跨为（32+80+112）m，全梁均采用预应力混凝土槽形梁，为克服小跨侧边支座负反力在80m跨侧增加一孔32m辅助跨，主塔为钢筋混凝土矩形空心截面。如图2所示。

梁体采用双向预应力体系：纵向预应力束采用15-Φj15.2和12-Φj15.2钢铰线，M15-15和M15-12型锚具，YCW350B型千斤顶，分为单端张拉和两端张拉，管道形成采用内径90mm金属波纹管成孔。横向预应力束采用5-Φj15.2钢铰线，锚固体系采用BM15-5及BM15-5P锚具及配套的支承垫板；张拉体系采用YDC240Q型千斤顶；管道形成采用内径90x19mm扁型金属波纹管成孔。竖向预应力采用Φ25精轧螺纹钢筋，管道形成采用直径35mm铁皮管。

2槽形梁浇筑方案

方案：先浇筑塔梁固结段，设置后浇带，分段浇筑；塔梁固结段长为21.1m，固结段两侧各设置1m后浇带长；小跨侧第一次浇筑梁段长36.5m，小跨侧第二次浇筑梁段长37m；大跨侧第一、二次浇筑梁段长均为34m，大跨侧第三次浇筑梁段长31.4m，；26m段为边跨侧现浇段，2m段为转体后合龙段，如图3所示。

3槽形梁水化热

水化热是初期影响混凝土的主要因素。国际预应力混凝土协会FIP 规定： 凡是混凝土一次性浇注最小尺寸大于0. 6 m，特别是水泥用量大于400kg/m3时，应考虑水化放热慢的水泥或采取其他降温散热措施；近年来，随着预应力技术的发展，混凝土主梁的跨径和截面尺寸越来越大，可以看出本工程采用的槽形梁截面具备了上述大体积混凝土结构的特征，但主梁配筋繁多，在构造上又不允许像大体积大坝或承台那样使用冷却水进行降温，内部热量不容易散失，从而产生较大的温差应力，引起梁体表面开裂，对结构的后期施工和运营带来隐患。

4基本参数

4.1 混凝土配合比

根据上述定义，主梁属大体积混凝土。如不采取有效的控制措施，大体积混凝土由于水化热的作用将使混凝土内外产生较大的温差，一旦超过混凝土的抗拉能力，将导致温度裂缝的产生，影响结构的使用性能。

按照沪昆高铁南西、西北联络线转体斜拉桥的施工进度安排，南西联络线槽形梁的浇筑时间基本介于2011年11月至2011年12月之间，西北联络线槽形梁的浇筑时间基本介于2011年11月至2011年12月之间。参考以往的历史气温资料，以指导大桥承台的施工。

配合比选用：先由试验室通过设计和试配确定混凝土设计配合比，并以使混凝土满足和易性、凝结速度等施工条件，符合强度、耐久性等质量要求为原则。

主梁C50混凝土配合比见表1。

4.2 混凝土热参数的计算

按加权平均方法计算混凝土的导热系数λ和比热c。

混凝土热参数计算如表2，混凝土绝热温升如表3。

4.3热源涵数

4.4边界及对流条件

在槽形梁浇筑过程中，边界情况分为混凝土直接与空气接触和混凝土表面附有模板或保温层2种，计算时需要确定结构表面的放热系数和大气温度。根据长沙气象资料，并结合实际施工组织情况，预计在夏季、冬季都存在混凝土的浇筑工区况。故分析夏季和冬季浇筑情况下，水化热对主梁混凝土的影响。

4.4.1结构表面放热系数

槽形梁内外表面的边界情况分为几类：无模板外表面、有木模板外表面、有木模内表面。

对流放热系数随风速与风向的改变是个随机过程，但准确估计风速与风向的里程变化很不现实。对于混凝土表面与空气的对流放热系数，近些年来，国内外许多学都对此做了研究，在现场实测、试验实测或现论推演的基础上，给出各种不同的对流放热系数取值的公式，文献《混凝土箱梁桥温度效应关键因素研究》（徐丰）对其进行了分析整理，拟合出了平均意义上的混凝土结构表面对流放热系数公式：

4.4.2气温

5 混凝土热物理参数分析

由于混凝土原材料的导热系数、比热的变化范围较大，故混凝土的导热系数、比较变化范围也较大，而在大多数情况下是无法确定槽形梁所用混凝土的热物理参数的，热物理参数根据科研资料提供的原材料热物理参数确定。因此有必要研究混凝土热物理参数对槽形梁温度的影响，为编制槽形梁的施工方案提供一定的技术借鉴。

5.1 混凝土导热系数

导热系数的物理意义是单位时间内通过某处的热量和该处的温度对距离变化率的比值。即从物理意义上看在太阳辐射强度一定的情况下，混凝土的导热系数越大，则该处的混凝土温度对距离变化率就越小，即温差越小。

根据国内外学者的研究文献大体得知混凝土的导热系数一般在5～13 范围内变化。令混凝土的导热系数为5 、9 、12 ，观察混凝土槽形梁的温度场的变化规律。图6～图8是导热系数分别为5 、9 、12 时，达到最大竖向温差的槽形梁温度场。

从图6～图8可以看出：当导热系数为5kJ/（m.h.℃）时，槽形梁的最高温度为68.7℃，最低温度为25.9℃，最大竖向正温差为42.8℃；当导热系数为9kJ/（m.h.℃）时，槽形梁的最高温度为62.0℃，最低温度为26.8℃，最大竖向正温差为35.2℃；当导热系数为12kJ/（m.h.℃）时，槽形梁的最高温度为59.2℃，最低温度为29.5℃，最大竖向正温差为29.7℃；混凝土的导热系数越大，则该处的混凝土温度对距离变化率就越小，即温差越小；当导热系数由5kJ/（m.h.℃）变为9kJ/（m.h.℃）时，槽形梁的最高度由68.7℃变为62.0℃；当导热系数由9kJ/（m.h.℃）变为12kJ/（m.h.℃）时，槽形梁的最高度由62.0℃变为59.2℃。

从图9中可以看出：导热系数对槽形梁腹板上表面与腹板中部的温差随着导热系数的增大而减小，对于此槽形梁，当导热系数相差为1kJ/（m.h.℃），其影响一般小于1.0℃，亦不会影响达到最大正、负温差的时间。

5.2 混凝土比热容

比热容的物理意义是单位质量的物体在升高1℃时所需吸收的热量。故在吸收热量一定的情况下，物体的比热容越高则物体的温度越低。

根据国内外学者的研究文献大体得知混凝土的比热容一般在0.84～1.134kJ/（kg.℃）范围内变化。令混凝土的导热系数分别为0.85kJ/（kg.℃）、1.0kJ/（kg.℃）、1.13kJ/（kg.℃），观察混凝土槽形梁的温度场的变化规律。

计算结果表明：比热容对顶板上表面与腹板中部的温差随着比热的增大而减小，但其影响非常小，亦不会影响达到最大正、负温差的时间。因此导热系数对混凝土槽形梁温度场的影响较小。

6 槽形梁温度场的数值分析

6.1 计算假定

为简化分析过程和突出主要矛盾，作如下几点假设：

1、未考虑随温度变化的导热系数、比较容；

2、混凝土一次性入模，忽略浇筑经历的时间；

3、仅考虑外界气温变化的影响，不考虑太阳辐射的影响；

6.2 模型材料和热特性数据汇总

槽形主梁采用C50混凝土，材料和主要热特性如表6所示。

6.3 槽形梁数值分析

由于篇幅有限，本文仅对大跨侧槽形梁仿真分析。

大跨侧槽形梁有限元模型如下图10所示：

在理论温度监测过程中，选择在主梁的两个典型断面内的9个点进行温度的监测。典型断面与温度监测如下图11所示。

在纵向选取49.7m处截面的A-A、B-B上的9个点作为观察点，并绘制出混凝土温度随时间变化的曲线。

从图12中可以看出：混凝土浇筑完毕，在水化热作用下，监测点的最高温度为43℃，出现在混凝土浇筑完成50h的2、3号监测点位置处。靠近外侧的6号点，浇筑完35h后温度开始下降，随后150小时内，温度呈折线开始下降，下降速速较块，对大气温度敏感其温度曲线波动较大。内部监测点温度曲线受外界气温干拢较小，温度曲线比较平滑温度下降到与外界气温接近时，温度随大气温度变化在小幅度范围内波动。

小跨侧底板厚49.9cm，在水化热作用下，监测点的最高温度为39℃，出现在混凝土浇筑完成40h的8号监测点位置处。8、9、10监测点对大气温度敏感其温度曲线波动较大。

参考文献

[1] 祝文澜 楼华锋 刘宇；混凝土槽型梁的温度场及温度自应力分析[J]；黑龙江科技信息；2014

[2] 张伟 李兴坤 许涛；浅谈槽型梁施工监控[J]；福建建材；2013

[3] 贺恩怀；槽形梁在城市轨道交通工程中的应用[J]；铁道工程学报，2003