钢管混凝土拱桥拱肋水化热温度场与温度应力分析的学习体会

文献概况

宣纪明等人在2010年《桥梁建设》上发表的这篇论文，针对常山南门溪大桥钢管混凝土提篮拱桥的拱肋施工，采用LUSAS通用有限元软件分析了混凝土水化热引起的温度场和温度应力。该桥拱肋采用集束式钢管混凝土结构，截面中混凝土所占比例较大，而钢管相对薄弱，这一结构特点使得水化热问题尤为突出。

核心技术内容

水化热的产生机制与影响因素

混凝土水化热是水泥与水分发生化学反应释放的热量。在钢管混凝土拱肋中，水化热的产生具有以下特点：

温度场分析

论文采用有限元方法对拱肋混凝土水化热引起的温度场进行了详细计算。分析表明，在冬季施工条件下，拱肋混凝土水化热引起的温度梯度较大。这是因为：

1. 冬季环境温度低，混凝土浇筑后内外温差大，散热条件不利。
2. 集束式钢管混凝土结构截面中混凝土比例大，水化热总量高。
3. 钢管相对薄弱，对混凝土的约束作用有限，但同时也限制了混凝土的散热。

温度场的分布特征表现为：混凝土中心温度高，表面温度低，形成显著的内外温差。这种温差会导致温度应力的产生，严重时可能引起混凝土开裂。

温度应力分析

温度应力是温度场不均匀分布的直接结果。在拱肋结构中，温度应力的产生机制包括：

• 自约束应力：混凝土内部温度梯度导致的应力，由于截面内温度不均匀，高温区膨胀受到低温区的约束而产生压应力，低温区则产生拉应力。
• 外约束应力：拱肋与桥面系、吊杆等结构之间的约束，导致整体温度变形受到限制而产生应力。

论文的分析结果表明，水化热引起的温度应力明显，在施工与监控过程中必须予以充分考虑。

工程实践指导

施工阶段温控措施

针对论文揭示的问题，在实际工程中应采取以下温控措施：

1. 材料选择：优先选用低热水泥或中热水泥，降低水化热峰值温度。可考虑掺加粉煤灰、矿渣粉等掺合料，既降低水化热，又改善混凝土的后期性能。
2. 浇筑工艺：采用分层浇筑、分段浇筑的方式，控制单次浇筑厚度，加速散热。在冬季施工时，可适当降低浇筑速度，避免热量积聚。
3. 保温与降温：根据施工季节和环境条件，采取适当的保温或降温措施。冬季施工可适当覆盖保温层，减少表面散热过快导致的温差；夏季施工则需加强降温措施，防止温度过高。
4. 监测与反馈：在施工过程中设置温度监测点，实时监测混凝土内部和表面的温度变化，及时调整施工措施。当温度梯度超过允许值时，应立即采取措施控制温度发展。

设计阶段的考虑

在设计阶段，应考虑水化热对结构的影响：

• 在有限元分析中引入温度荷载，评估水化热引起的温度应力对结构承载力和裂缝宽度的影响。
• 对拱肋混凝土的收缩和徐变进行长期分析，评估水化热引起的温度应力与收缩徐变应力的叠加效应。
• 在拱肋关键部位设置构造钢筋，提高混凝土的抗裂能力。

关键思考与反思

这篇文献给我最大的启示是：温度效应是钢管混凝土结构不可忽视的重要因素。在传统的结构设计中，温度效应往往被视为次要因素，但在大体积混凝土结构中，水化热引起的温度应力可能成为控制性因素。

从焊接和钢管制造的角度看，钢管混凝土拱肋的钢管与混凝土之间的界面行为也是值得关注的。钢管表面的锈蚀、油污等会影响钢管与混凝土的粘结力，进而影响温度应力的传递。因此，在钢管下料和焊接后，应做好钢管表面的清理和防锈处理，确保钢管与混凝土的良好协同工作。

此外，论文中采用的LUSAS软件在温度-应力耦合分析方面具有优势，但不同有限元软件的计算结果可能存在差异。在实际工程中，建议采用多种方法交叉验证，确保分析结果的可靠性。

总之，这篇文献为钢管混凝土拱桥的施工温控提供了重要的理论依据和技术指导，提醒我们在设计和施工中必须充分考虑水化热的影响，确保结构的安全性和耐久性。