高速铁路简支箱梁的温差控制.doc

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1、1高速铁路简支箱梁的温差控制摘 要:如何控制好施工中的箱梁温差应力,研究起来较难。根据客运专线预应力混凝土预制梁暂行技术条件的规定,需要将箱梁混凝土内外温差控制在 15 以内,只有通过对箱梁温差应力的控制才能确保箱梁的质量。然而实际的施工是箱梁内外温差通常会高于 15,而没有相关有效的控制对策。由此,本文根据现场试验,使用有限元软件数值模拟来分析箱梁内外温差控制试验数据,从而探讨出最大温差梯度在 20范围内。 关键词:整孔简支箱梁 温度应力场 裂缝 温差控制 引言 做好高速铁路整孔简支箱梁施工中的温差控制非常重要,一旦简支箱梁结构内外温差超出限值,就会增大混凝土结构变形,严重时会发生温差裂缝,

2、导致简支箱梁的质量事故。施工中会产生混凝土水化热现象,在箱梁混凝土浇筑时间的变化下,会造成箱梁对流边界条件的变化,也会改变了温差应力、混凝土弹性模量、抗拉强度。 1.温差控制的提出 在高铁简支箱梁混凝土施工中,其中的混泥土标号高,每单方都会用到大量水泥,局部施工尺寸大,当混凝土硬化时,会因为水泥水化放热,使得混凝土内部在一定条件下产生高于 70高温,导致箱梁内外温差非常大。由此,需要采取降温通风措施来控制好箱梁混凝土内外温差,2避免造成温度裂缝。图 1 为箱梁腔室通风。 2.确定仿真参数及结果对比值 2.1 箱梁混凝土水化热计算模型 混凝土水化热规律中 t 时的累计水化热 Q(t) (kJ/k

3、g)的计算模型为: ,其中 Q0(kJ/kg)表示 t时的最终水化热。根据计算箱梁混凝土水化放热速率 q(kJ/(kg?d) ) ,公式为: ,水化热系数表示为 m,本文的 m=1.2。 2.2 箱梁混凝土弹性模量 本文采用朱伯芳院士提出的蒸汽养护混凝土的弹性模量 E(t) ,避免养护温度影响到混凝土弹性模量的发展速度。公式为 。其中最终弹性模量用 E0 表示,养护温度是 T,龄期用 t 表示。本文以现场箱梁混凝土养护情况为依据, ,所以得出的弹性模量: 表 1 中可以看到箱梁混凝土试件在 28 天的养护后得到的最终弹性模量平均值是 13.6Gpa。在表 2 中根据 1 h 时间步长所得的简支

4、箱梁节点温度场与弹性模量数值对应表。 2.3 箱梁混凝土抗压强度 随着龄期的发展,抗压强度 Rc(t) (MPa)的公式: ,龄期是t,Rc28 表示 28 d 龄期的混凝土抗压强度,总共取了 1 20 的混凝土试件,由此,Ri 表示 i 取 1, ,20。所得对应试验结果:67.5,63.8,64.7,66.4,62.3,67.2,65.4,62.1,65.3,65.6,62.5,61.7,64.8,64.9,63.7,62.3,66.0,63.7,63.4,64.4MPa。最终计算出 (MPa) 32.4 箱梁混凝土抗拉强度 根据朱伯芳院士得到的中国水利水电科学院的试验结果,从而计算出抗拉

5、强度 Rt(MPa)公式: ,混凝土抗压强度表示为 Rc(MPa) ,本文从现场试验数据所得到的对应时间点的混凝土抗拉强度值如表 3 此外,简支箱梁混凝土的导热系数 、比热 c、线膨胀系数、泊松比分别取值 kJ/(m?h?) ; kJ/kg?;110- 5/;0.2。 3.简支箱梁温度应力场仿真分析与结论 在自然养护状态中的温度应力变化和温差控制措施中的温度应力变化前提下,本文选取简支箱梁不同的跨中截面和支点截面温度数据共 24个测点,在分析实测数据的基础上进行仿真分析,获得对比指标,从而进行仿真分析准确性验证。表 4 为本文的实测数据和理论数据的对比。表 4 中的温差数据误差均在能接受范围之

6、内,采取的参数准确,以此开始温度应力仿真计算,从而探索出合理定位最大温差梯度范围。 3.1 假设 第一,假定箱梁挠曲变形过程中一直服从平截面。 第二,箱梁混凝土产生裂缝前材质均匀、各向同性,与弹性变形规律相符。 第三,先进行单向温度荷载计算,再进行双向温度荷载的叠加构成计算。 3.2 箱梁温度应力云图分布 2-1 箱梁跨中截面段 2-2 箱梁支点截面段 4在自然养护状态中,浇筑混泥土 24h 后,箱梁跨中截面段和支点截面段混凝土的温度应力分布云图如图 2-1、2-2。 在浇筑后箱梁混凝土产生了水泥水化热,促使梁体内部升温造成膨胀,在模板约束内部混凝土产生压应力,而表面箱梁则没有受模板约束,在内

7、部膨胀情况下产生箱梁上表面的混凝土产生拉应力。从图 2 中看出腹板顶部向两边的温度应力表现出逐渐减小的趋势。箱梁温度拉应力最显著的位置是其上表面,这是需要加强温度控制和养护的地方,避免早期温度裂缝。 有温差控制措施的箱梁温度应力分布和养护状态中的温度应力分布大致相似,但是在温差控制下,会使箱梁内部温度下降很多,而梁梁体内外温差也降低,这就减小了箱梁上表面的温度拉应力。 3.3 箱梁混凝土温度压应力计算 自然养护状态中浇筑后的前 30 h,压应力迅速增长,跨中截面段与支点截面段的最大压应力分别为 2.21 MPa 和 2.77 MPa。然而这离混凝土抗压强度极限还有一定的差距,表明自然养护中的这

8、两部分的箱梁混凝土的压应力符合要求。时间越长,梁体温度也跟着降低,其压应力也在减小,而在内部温度比外部温度低时,从而有了内外部之间的拉应力,但其数据偏小,是较小的温差所致。 温差控制措施中,压应力峰值有所减小,两个部分的压应力峰值分别是 2.04 MPa 和 1.83MPa。其中压应力峰值降低较多的是支点截面段,这是由于支点截面段的预应力孔道不如跨中截面段均匀,孔道偏下,所以降温效果较差。 53-1 跨中截面压应力时程变化曲线 3-2 支点截面压应力时程变化曲线 3.4 箱梁混凝土温差界限范围探讨与结论 在箱梁温度应力的仿真计算分析后,自然养护中箱梁浇筑后,前 30 h 混凝土内外温差达到 24.86的最大值,其最高温度拉应力为 1.255 MPa;而对应的理论最大拉应力值是 1.27 MPa。两个拉应力值很接近,由此可以看出极限温差为 24.86,然而需要考虑现场情况和边界条件,由此设定 0.8 为安全系数,得到箱梁混凝土的极限温差取值 20,可适当放宽规范规定的 15温差界限。 结论 综述,在有温度控制措施的情况下,箱梁混凝土的支点与跨中截面段较自然养护下的最大压应力和最大拉应力都有所降低,实现了温度裂缝的有效控制,箱梁混凝土的极限温差取值可从规定的 15放宽到 20的温差界限。

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