基于仿真分析的大體積混凝土施工方法研究

■閆宗山，李福如 ■山東省公路橋梁建設有限公司，山東 濟南 250000

由于水泥凝固產生水化熱，大體積混凝土澆筑后內部溫度急劇上升。此時彈性模量很小，徐變很大，升溫引起的內部應力不大。但在隨溫度逐漸降低，彈性模量變大，徐變較小，則內部會產生較大的應力［1］。另外，結構暴露在空氣中，表面與空氣或水接觸，隨氣溫和水溫的變化在大體積混凝土內部會引起相當大的應力，這些都需要依靠混凝土自身來承受［2］。因此，在現實中很難滿足設計要求的“不出現拉應力”或“不高于限值”。所以如何將溫度應力限制在允許范圍內，有效控制溫度裂縫的產生仍是大體積混凝土結構設計及施工中的重要課題［3］。本文以工程實例為背景，從數值分析理論入手，借助ABAQUS程序，對某地錨式懸索橋錨碇混凝土施工進行溫度場及應力場仿真分析，以期對施工方案中分層、分段施工提出了合理化建議，正確指導施工方案。

1 工程背景

本文工程背景為一座雙塔三跨雙索面地錨式懸索橋，跨徑組合為:38m+420m+47.5m，主纜間距3.5m，橋面寬度2.4m，型鋼-混凝土組合式加勁梁，重力式錨碇，錨體均為C30 混凝土，結構布置如圖1。谷底與橋面高差約143m，混凝土采用接力泵送，南山錨碇平面尺寸為:14×24m，高16m，混凝土總方量4724 方，泵送高差約160m;北山錨碇平面尺寸為:12 ×20m，高12.5m，混凝土總方量2090 方，泵送高差約180m。

圖1 結構布置圖

2 數值模擬及結果分析

2.1 模型概述

圖2 南山錨碇有限元模型圖

基于上述結構特點，以南山錨碇作為分析實例，用ABAQUS 程序對大體積混凝土錨碇結構采用實體單元進行建模。單元類型為八節點熱耦合六面體單元［5］(C3D8T)。劃分網格后的模型如圖2 所示，其中模型單元總數為34468 個。

2.2 模型建立

錨碇為大體積混凝土結構，施工時采用分層澆筑的方法［3］。為確定合理的分層參數，研究中應選取幾種不同的分層工況，分別建立有限元模型。對每個澆筑層分別建立一個分析步，用ABAQUS 軟件中的單元生死技術控制不同分析步中每個澆筑層所對應單元的無效與激活［4］，從而達到模擬分層澆筑的目的。

2.3 模擬結果分析

2.3.1 分層澆筑對溫度場及應力場影響分析

以南山錨碇為例，其總高度為16m，考慮目前山區混凝土拌合、澆筑能夠滿足的方量、質量控制等方面要求，將其按照厚度方向均勻分層，取6 層、12 層、18 層、24 層四種不同的澆筑方案進行模擬。分層模型構建如圖3。

圖3 南山錨錠二十四層澆筑模型

圖4 施工期溫度與澆筑分層關系曲線

經計算分析，可以求得南山錨碇施工澆筑過程中各層最高溫度，見表。

表1 南山錨碇二十四層澆筑方案各層最高溫度

提取各個工況下的最大溫度應力值，得到表2。

表2 南山錨錠各工況應力值

表3 南山錨錠分層澆筑溫度變化值

將各工況中溫度取平均值匯總，得到隨分層數變化時最高溫度變化曲線，見表3、圖4。

《GB50496-2009_大體積混凝土施工規范及條文說明》中的基本規定為:混凝土澆筑后的溫升值不宜大于50℃。根據模擬結果可知，初始入模溫度為20℃，工況三中混凝土內部最高溫度為66.96℃，工況四最高溫度為57.95℃，溫升值均能滿足規范要求。但工況三中最大溫度應力1.65Mpa(拉)，對于施工期混凝土偏大。工況四的最大拉應力值已降至1.0MPa(拉)，可滿足要求。因此建議采用工況四分層澆筑方案。

2.3.2 分段澆筑對溫度場及應力場影響分析

圖5 南山錨錠分層分段澆筑工況

為研究分段澆筑對溫度場的影響，以南山錨碇為例，在各分層工況的基礎之上每層各分為兩段進行澆筑，對每個澆筑段分別建立一個分析步，建立模型，分析其溫度場。

將各工況中溫度場及應力場變化情況進行匯總，并與未分段時的溫度值、應力值作對比，所得數據見表4，表5。

表4 南山錨錠分段施工溫度對比

表5 南山錨錠分段施工應力值對比

可見，分兩段施工后，最高溫度下降不明顯;但混凝土內部最大拉應力明顯下降。可見在大體積混凝土的澆筑過程中，分層澆筑有助于散熱，有效降低混凝土內部溫度，而在相同的分層情況下分段澆筑可以降低混凝土的最大拉應力，二者都是防止出現溫度裂縫的有效方法。

2.3.3 冷卻水管對溫度場及應力場影響分析

大體積混凝土在施工過程中常采用冷卻水管降溫的方式降低混凝土的溫度峰值。因此在有限元分析時也對加入冷卻水管的情況進行模擬，分析冷卻水管的降溫效果。對南山錨碇，選擇6 層、12 層、18 層的分層形式，分別通模擬通入10℃、15℃、20℃的冷卻水，共組成9 個工況。

計算分析各工況下的溫度場及其應力場最大值，并與未加入冷卻水管時的溫度值、應力值進行對比，所得數據見表6、表7。

表6 冷卻水管對溫度值的影響

表7 冷卻水管對應力值的影響

由計算結果可見，加入冷卻水管后，混凝土澆筑過程中的溫度值、應力值均下降明顯。18 層澆筑方案中溫度及應力計算值已經小于未加冷卻水管時24 層澆筑方案計算值。因此，通水冷卻是主動控制混凝土溫度場的有效措施。

2.4 數值模擬與傳統計算結果對比分析

圖6 最高溫度-澆筑厚度曲線對比圖

(1)根據傳統公式計算所得的混凝內部最高溫度與澆筑層厚度的曲線如圖6 所示，與有限元模擬相差較大。公式計算溫度偏低，偏于不安全。

(2)同時，公式中只點出了溫度值與澆筑層厚度有關，沒有考慮分段對溫度場的影響，而數值模擬的計算結果更為準確、全面。

(3)規范只對最大溫度變化值進行了控制，傳統公式計算也只能進行溫度計算。數值模擬能夠同時對溫度場、應力場進行分析，且從計算結果分析中可以看出大體積混凝土施工控制中對溫度應力的控制更加關鍵。

2.5 數值模擬與實測結果對比分析

為驗證數值模擬結果的可靠性，施工過程中在南山錨碇中埋入了多個溫度傳感器，記錄混凝土溫度隨時間變化曲線，再將測得的溫度曲線與有限元模型中對應位置的溫度曲線進行對比。如下圖所示為其中三個測點的對比結果。數值模擬的結果與施工實測值所得的變化曲線趨勢一致，溫度值也較為接近。因此，本項目采用的數值模擬結果符合工程實際，能夠較好的為設計、施工提供依據。

圖7 溫度-時間曲線(測點1)

圖8 溫度-時間曲線(測點2)

圖9 溫度-時間曲線(測點3)

3 結論

(1)借助ABAQUS 程序，對大體積混凝土結構施工進行溫度場及應力場雙向仿真分析，較傳統計算方法結果更有效準確。

(2)根據分析結果可知:大體積混凝土施工控制中對溫度應力的控制更加關鍵。

(3)經過實測驗證，本文采用的數值模擬結果符合工程實際，能夠準確全面的指導工程設計及施工方案制定，有利于施工質量的保證，同時也為類似工程問題提供實踐參考。

［1］王鐵夢.工程結構裂縫控制［M］.北京:中國建筑工業出版社，1997:62-68.

［2］朱伯芳.大體積混凝土的溫度應力與溫度控制［M］.北京:中國電力出版社，1999:.

［3］邵世明.筏板基礎大體積混凝土溫度控制與現場監測［J］，淮南職業技術學院學報，2005.5(1):21-24.

［4］王建，劉愛龍.ABAQUS 在大體積混凝土徐變溫度應力計算中的應用［J］.河海大學學報:自然科學版，2008，Vol.36，No.4:532-537.