论文导读：早期混凝土温度应力的产生主要受水泥类型和用量、浇筑温度、环境条件、混凝土材料特性、混凝土龄期、结构类型、顺序和约束条件以及徐变收缩特性等因素的影响。本文采用MIDAS/Civil有限元分析软件分析梁济运河大桥中混凝土的温度场和温度应力。
关键词：早期混凝土性能，温度场，温度应力
1.混凝土内部温度变化规律
混凝土结构裂缝并非由于其承载能力不足，而是因为混凝土材料在环境温度变化的影响下产生非荷载应力而引起的。早期混凝土温度应力的产生主要受水泥类型和用量、浇筑温度、环境条件、混凝土材料特性、混凝土龄期、结构类型、顺序和约束条件以及徐变收缩特性等因素的影响。
2.工程概况
根据梁济运河大桥的地质情况，桥梁上部结构主桥采用大跨径预应力混凝土半刚构连续箱梁，引桥采用预应力混凝土简支转连续箱梁结构：孔径为5×30+60+100+60+5×30米，下部构造主桥采用双薄壁桥墩，引桥采用柱式桥墩、肋式桥台和钻孔桩基础，桥梁全长527米。主桥上部形式为预应力混凝土半刚构连续箱形梁，其桥孔布置为60+100+60米。横断面为两幅分离的单箱单室断面，单幅箱梁全宽13.5米，桥面横坡由箱梁顶板自倾形成。科技论文。箱梁纵向为变截面；主桥桥墩顶箱梁梁高5.00米，跨中及边跨支点箱梁梁高2.5米。主梁混凝土应采用不小于525号硅酸盐水泥。主梁混凝土应采用较小水灰比，并严格控制水泥用量以减小混凝土的收缩。设计中采用混凝土容重2.6吨/立方米。
3.温度场的数值模拟
随着计算力学、计算数学、工程管理特别是信息技术的飞速发展，数值模拟技术日趋成熟。本文采用MIDAS/Civil有限元分析软件分析梁济运河大桥中混凝土的温度场和温度应力。
3.1建模
根据工程概况，使用FX+建立模型并划分网格，再导入midas/civil进行有限元分析。FX+是专为土木结构细部分析而开发的有限元网格划分程序，具有高级的曲面、实体仿真功能，可以方便直观的建立几何模型，并且自动划分网格功能。科技论文。
3.2参数及边界条件
在计算中，参数的取值至关重要，关系到最终的计算结果。需要的参数有混凝土的绝热温升参数θ、外界气温、表面放热系数β、混凝土的比热c、导热系数λ、热膨胀系数、泊松比等。
3.2.1参数选取
（1）表面放热系数β
表面放热系数β与固体本身的材料性质无关，只与风速有关，一般情况下取β=11.63～23.26[W/(㎡·℃)]，λ/β=0.1～0.2m
（2）混凝土的导热系数λ[W/(m·℃)]
混凝土的导热系数决定于混凝土各组分的特性。无实测资料时，可根据混凝土的各种组分的重量百分比，按加权平均的方法进行计算得到。
3.2.2边界条件的确定
根据梁段实际施工情况，模拟实际对流和水化热生成情况（忽略辐射影响），施加荷载，确定边值条件。
3.3温度模拟结果
一般连续刚构桥箱梁薄壁结构在浇注初期达到最高温度的时间比较快(仅一天左右)，从该项目中监测数据可知，测点的温度的最高值基本出现在第20小时左右。科技论文。所以选择第10小时，21小时，68小时的温度等值进行比较。
分析可看出，挂篮施工内侧的温度明显高于挂篮施工外侧的温度，而且不管是挂篮施工外侧还是施工内侧，腹板与顶板相交处的温度最高，腹板与顶板相交处，在横向上存在温度梯度，此处容易产生较大的温度应力。
综上可得：
（1）从箱梁纵向来看，虽然沿梁长度方向每个截面温度不同，但温度分布规律基本一致。在靠近已浇筑混凝土的一侧的温度比外侧的温度要高很多，这是因为两侧的对流系数不同，导致了较大的温差。这说明该箱梁混凝土表面散热可以起到较大的作用。
（2）从箱梁横截面来看，局部混凝土的内部点的温度都要比表面的温度高的多。翼缘板与腹板交接处体积较大，温度值比整个箱梁其他部位都要高，第三天时内部中心温度最高仍然有25度。而腹板、底板，翼缘板边处厚度较小，温度在浇筑初期上升较快，但受环境影响较大，散热也较快，两天基本就趋近于环境温度。
（3）整体来看，该箱梁与其他大体积混凝土相比，体积相对较小，所以最高温度值及温升速率都要小。
4.测点温度模拟数据与监测数据对比
成熟度测定仪埋于挂篮内侧向内90cm距离处位置，从实测水化热温度变化曲线均可知，混凝土内部测点的曲线比较光滑，而边缘点的温度曲线波动较大，这说明内部温度在水化放热情况下受外界影响比较小，而表面温度由于对流受外界影响较大，将测点的模拟温度值与实测值比较，各测点温度变化趋势基本一致。分析可看出对混凝土箱梁而言，局部体积越大，积蓄的热量越不易传递，温度差就越大，产生的温度应力随之升高。
5.小结
通过以上分析，可以看出Midas/civil模拟得到的预应力混凝土箱梁的温度场的分布情况、大小及变化趋势与一般大体积混凝土的温度场有相似的规律，但由于其构件的相对较小性和混凝土的高强性，又有与大体积混凝土的变化规律有相异性，其温升阶段较短，拉应力峰值出现较早。因此在预应力混凝土箱梁的设计、施工中，可以采用Midas/civil 软件对其温度场及温度应力进行模拟，根据模拟得到的混凝土内部的温度、温度应力分布的规律，确定重点防裂部位并选取合适的温控方法、防止裂缝的产生。
参考文献
[1]唐修生,李克亮,祝烨然.大掺量矿渣高性能混凝土绝热温升试验研究[J].人民长江,2008,
39(3):75-77.
[2] 王继宗,倪鸿光,何锦云,侯栓成.混凝土强度预测和模拟的智能化方法[J].土木工程学报,2003,36(10):24-29.
[3] 陈勇,叶雨清等.模型预测技术在桥梁健康监测中的应用[J].浙江大学报, 2008,42(1):
157-163.
[4]邱凯.混凝土早期弹性模量变化规律试验研[J].究试验技术与试验机,2007,(6):29-31.
[5]应宗权,杜成斌,孙立国.基于随机骨料数学模型的混凝土弹性模量预测[J].水力学报, 2007,38(8):933-937.
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