铁路高墩水化热温度场分析

肖吉苏

(同济大学，上海 200092)

混凝土工程技术在不断取得进步的同时也不可避免地暴露出了一些问题，其中现代混凝土的早期体积稳定性越来越差，由此造成的混凝土早期裂缝问题成为当前工程界亟待解决的问题。

混凝土是脆性材料，桥梁工程中常用混凝土(C15～C40)抗拉强度只有抗压强度的8%～13%。大体积混凝土的断面尺寸较大，由于水泥的水化热会使混凝土内部温度急剧上升;以及在以后的降温过程中，在一定的约束条件下会产生相当大的拉应力。现铁路高墩及基础等大体积混凝土结构中通常只在表面配置少量钢筋，或者不配钢筋。因此，拉应力要由混凝土本身来承担。桥梁工程中大体积混凝土产生早期裂缝的主要原因是水泥水化热的影响。

浇筑的混凝土在硬化过程中，水泥会发生水化热现象从而产生巨大的热量。以往的研究表明，大体积混凝土内部温度甚至可以升到70℃左右。铁路空心高墩属于典型的大体积混凝土，这种现象极为明显。由于混凝土体积大，水泥水化产生的热量不易散发，混凝土的内部温度将显著升高，但其表面散热较快，内外便形成了较大的温差，这种温差会造成内部与外部热胀冷缩程度的不同，混凝土表面产生拉应力而混凝土内部产生压应力。当拉应力超过了混凝土的极限抗拉强度时，便会在混凝土表面产生裂缝。本文通过对铁路空心墩水化热温度场实测与数值模拟后得到了其发展与变化规律，可以为今后的设计与施工提供一些参考。

1 水化热温度场实测实验

1.1 工程概况

本试验在内蒙古自治区鄂尔多斯市某大桥桥墩上进行，本桥墩身的类型为圆端形空心墩。墩身模板采用定型钢模板，混凝土通过泵送入模，试验所在桥墩高64 m，在浇筑10 m～12 m节段时进行。

1.2 试验仪器

试验仪器采用中国长沙金码高科技实业有限公司生产的JMZR－2000型自动综合监测系统。温度测点采用中国长沙金码高科技实业有限公司生产的JMT－36B型温度传感器和JMZX－215AT型智能弦式应变传感器。

本试验还使用了DSC无线数据系统。DSC无线数据系统，利用GPRS的互联网功能，通过约定域名的方式，建立现场上网手机模块，与安装专业软件的上网电脑间的联系，实现远程控制试验、采集数据。

1.3 试验方案和过程

对空心混凝土桥墩进行温度监测，以集成温度传感器作为感温元件，合理布设测温点，实行温度连续监测，同步收集数据，全面了解混凝土内部温度分布状况及温度梯度变化情况。

测点布置见图1。

图1 空心墩传感器布置示意图（单位：mm）

传感器均布置在向阳一侧。

传感器布置如下:最外层传感器距离外表面50 mm，由外层至内层传感器间距为100 mm+150 mm+200 mm+200 mm，最内层传感器距离内表面50 mm，全截面共计34个传感器。

1.4 温度数据的采集

水化热温度从混凝土入模后即进行监测，每隔半小时采集一组数据，监测时长为15 d，以混凝土入模的时刻为时间上的0点，则数据对应的时间段为0 h～360 h。试验中采集了大量温度数据，对于本文所讨论的水化热分析，我们最关注的是该空心墩在水化热过程中各时刻出现的最高温、最低温和温差。根据以往经验，水化热过程中各时刻的最高温应出现在混凝土中心点处，在本试验中其对应的是距外表面500 mm的一层传感器，我们读取该层传感器数据取平均值以代表中心点数据。而各时刻的最低温则应出现在混凝土外表面处，但墩身外表面受大气温度影响较大，难以准确反映水化热温度，所以我们将表面点对应为最外层的传感器，同样读取该层数据做取平均值处理。监测数据见表1，墩中心点、表面点温度变化曲线见图2，温差变化曲线见图3。

从图2可以看出，在水化热反应开始的20 h～30 h内，无论是混凝土表面还是中心温度均急剧升高，表面点在20 h附近处达到最高值约55℃，中心点在30 h附近处达到最高值约65℃。在分别达到温度峰值后，表面点和中心点开始缓慢降温，两点均降温至当地气温30℃时，距离水化热反应开始已过去了约360 h。在图中可以发现，混凝土在水化热过程中的升温较快，但降温却经历了一个缓慢的过程。两点温度的整体走势相同，最终趋向于当地气温，但我们可以很明显的发现中心点温度一路向下，而表面点温度却在途中出现了反复。这是由于表面点距墩身外表面很近，受大气温度影响较大，当白天日照充足时，表面点会随着墩身外表面温度升高升温，这种降温过程中出现的温度波动呈现出周期性，周期为24 h;中心点距外表面较远，由于混凝土导热系数较小，所以还是在缓慢降温，这种现象并没有出现。混凝土水化热的温度曲线依赖于混凝土的龄期。因为温度的上升过程很剧烈，但在下降阶段却趋于平缓，因此墩身外表面会产生参与温度拉应力。这是由于混凝土的弹性模量和松弛系数都随龄期而变化。在水化热初期混凝土温度急剧升高，混凝土弹性模量和松弛系数都很小，温度每升高1℃所产生的约束压应力较小。到了降温阶段，混凝土的弹性模量和松弛系数都变大，温度每降低1℃所产生的拉应力较大，在抵消了初期升温阶段的压应力之外，还会在混凝土内留下残余的温度拉应力。这种在墩身外表面产生的残余温度应力很可能会引起墩身的早期开裂。

表1 水化热温度实测数据

图2 实测中心点、表面点温度变化曲线

图3 实测温差变化曲线

从图2还可以看出，在整个温度的变化过程中，中心点均比表面点滞后。正是因为两点温度变化时间差的存在，两者的最大温差是不能通过简单地用最高温度相减来取得的。在水化热进行到35 h时中心点和表面点温差达到了最高值17℃。如此大的内外温差很可能会导致墩身早期裂缝的产生。

2 水化热温度场数值模拟

通过MIDAS CIVIL的水化热计算模块，按照实际情况设置环境温度函数、对流系数函数、固定温度、热源函数等参数对该桥墩进行数值模拟，得到墩中心点、表面点温度。水化热温度数值模拟结果见表2，墩中心点、表面点温度变化曲线见图4，温差变化曲线见图5。

3 数值模拟结果与实测数据对比

数值模拟结果与实测数据对比见表3。

表2 水化热温度数值模拟结果

图4 数值模拟中心点、表面点温度变化曲线

图5 数值模拟温差变化曲线

表3 水化热温度数值模拟结果与实测数据对比

通过对比可以看出，MIDAS CIVIL的数值模拟结果与实测数据比较接近，误差在5%之内。数值模拟各点的最高温及最大温差模拟较好，升温及降温的趋势明显，走势与实际一致，但表面点受气温变化影响的效果与实测值稍有偏差，这是由于整个降温是一个比较长时间的过程，可以对实测值产生影响的因素有很多，比如混凝土的拌合、浇筑过程中的各种因素，这些都导致数值模拟结果与实测值不一致的出现。但是，影响不一致的主要因素我们已经充分的考虑，最关注的结果完全满足工程需要，所以我们可以认为数值模拟的结果是准确的。

4 结语

1)如果要了解某桥墩在施工中的水化热情况，进行实测试验是最为稳妥的办法，但实际工程中不可能对每一个桥墩进行试验，此时有必要通过数值模拟进行水化热计算，通过本文的对比结果可知，对于常见的铁路空心高墩进行数值模拟来进行水化热分析是足够满足工程需要的。

2)实测结果表明，铁路空心高墩的水化热现象明显，中心点最高温可以达到65℃左右，中心点与表面点最大温差约17℃，如果是实心墩该现象会更为明显，应该引起足够的重视。

3)有研究表明，水化热现象是大体积桥墩出现早期裂缝的主要原因，因此我们可以通过控制水化热升温来有效防止早期裂缝的产生，有效的措施包括选用低热水泥、采用最优的骨料级配、冷水拌合等，同时可以通过设置水冷管，加强墩身养护等手段来降低内外温差，以达到防止墩身早期开裂的目的。

［1］ 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，1999:22－51.

［2］ 朱伯芳.有限单元法原理与应用［M］.北京:水利水电出版社，1998:207－288.

［3］ M J Nigel Priestley.Design of Concrete Bridge for Temperature Gradients［J］.ACI Journal，1978，75(5):89－92.

［4］ 刘兴法.混凝土结构的温度应力分析［M］.北京:人民交通出版社，2009:191－216.

［5］ 王 毅.预应力混凝土连续箱梁温度作用的观测与分析研究［D］.南京:东南大学博士学位论文，2006.

［6］ 张玉新，苟 季，廖宸锋.桥梁承台混凝土水化热仿真分析［J］.红水河，2008，27(1):46－49.