大體積混凝土水化熱仿真分析

2017-01-09 01:05:00中鐵建大橋工程局集團第一工程有限公司遼寧大連116033

四川建筑 2016年6期

劉濤(中鐵建大橋工程局集團第一工程有限公司, 遼寧大連 116033)

大體積混凝土水化熱仿真分析

劉濤
(中鐵建大橋工程局集團第一工程有限公司, 遼寧大連 116033)

文章從大體積混凝土水化熱效應對結構開裂的影響出發，分析了施工階段大體積混凝土的溫度場及溫度應力分布規律。以石首長江大橋主墩承臺為研究對象，根據混凝土材料特性、實際施工條件，利用大型有限元軟件建立有限元模型進行仿真分析，研究在澆筑過程中混凝土的溫度場及溫度應力的分布規律。分析結果表明：各施工階段結構溫度應力安全系數較大，滿足相應規范要求；承臺在澆筑過程中，中心溫度先升后降，在第3天時達到峰值，且內表溫差隨中心溫度變而變化；承臺早期應力由內表溫差引起，集中于表面；由于混凝土收縮等因素影響，后期應力集中于結構中心，且隨齡期增長不斷增大。

大體積混凝土；施工階段；溫度；溫度應力

隨著我國基礎設施的不斷發展，大體積混凝土廣泛應用于超大建筑、大壩及超大型橋梁等結構中，并成為主要受力部位。由于大體積混凝土結構的特殊性，結構尺寸較大，在澆筑過程中，混凝土產生大量的水化熱，致使大體積混凝土內部溫度迅速上升，與混凝土表面形成巨大的溫差，產生溫度拉應力，加之混凝土材料抗拉性能差、混凝土收縮受到外部(地基或結構)的約束，在大體積混凝土結構中產生貫穿裂縫，對結構的安全性與耐久性產生極大影響，故有必要對大體積混凝土進行水化熱應力分析。

目前結構中對大體積混凝土沒有具體的定義，但是相比普通混凝土結構，大體積混凝土具有體積大、水化熱產生的溫度應力大的特點，必須采取相關的技術及施工措施，合理處理水化熱產生的溫度應力、體積變形及混凝土裂縫的問題。

近年來，國內外學者對大體積混凝土水化熱的研究較多。劉亮[1]從施工角度簡述了大體積混凝土的施工方法及裂縫預防措施；江昔平和王社良等[2]指出了大體積混凝土溫度裂縫產生的兩個必要條件——溫度和約束；龔劍和李宏偉[3]介紹了施工規范中大體積混凝土的相關內容及注意事項。

為進一步探討大體積混凝土的結構特性，本文結合石首長江大橋主墩承臺的澆筑情況，利用大型有限元軟件建立有限元模型進行溫度應力仿真分析，探索大體積混凝土水化熱產生的溫度應力分布及裂縫控制措施，具有重要的現實意義。

1 石首長江大橋主墩承臺概況

石首長江公路大橋主橋為雙塔單側混合梁斜拉橋，主橋橋跨布置為(75×3+820+300+100) m，混凝土主梁和鋼主梁均采用分離式雙邊箱的PK梁斷面，索塔采用收腿的倒Y 型造型。主墩103#墩承臺形狀為圓端矩形，平面外輪廓尺寸67.5 m×35.75 m，一級承臺厚7 m，二級承臺厚2.5 m。

主墩一級承臺及二級承臺采用C40混凝土，封底墊層采用2.0 m厚的C20水下混凝土。一級承臺分兩層澆筑，第一層厚3 m，第二層厚4 m；二級承臺一次澆筑完成，厚2.5 m。承臺各層澆筑間歇期預定為7～10 d，受到施工條件的限制，實際澆筑間歇可能會有調整。承臺示意如圖1所示。

(a) 承臺正視

(b) 承臺俯視圖1 承臺示意(單位：cm)

2 水化熱仿真分析

大體積混凝土水化熱仿真分析包括溫度分布分析與溫度應力分析兩個部分。溫度分布分析計算獲取大體積混凝土澆筑過程中產生的放熱、對流及傳導等引起的結構不同部分的溫度變化；溫度應力分析是根據溫度變化所得的溫度應力變化特性、混凝土的時變特性及結構施工步驟等，計算得出大體積混凝土結構在澆筑時的溫度應力分布。仿真分析根據實際材料參數及結構實際邊界條件進行分析。

2.1 混凝土材料特性

主墩103#墩承臺混凝土設計強度等級為C40，一級承臺分兩層澆筑3 m+4 m，二級承臺一次澆筑完成2.5 m，根據施工單位提供的資料，混凝土材料性能如下所示。

水泥：華新水泥PII42.5；

粉煤灰：F類II級；

磨細礦渣粉：密度不小于2.8 g/cm3，燒失量不大于3.0 %；比表面積370 m2/kg；

細集料：細度模數2.72；

粗集料：4.75～26.5 mm碎石(4.75～9.5 mm，9.5～19 mm，19～26.5 mm；

外加劑：聚羧酸高性能減水劑(緩凝型)，摻量為膠凝材料用量1.0 %；

水：長江江水。

承臺C40混凝土配合比如表1所示。

參考相關工程資料，混凝土劈裂抗拉強度、物理熱學參數取值如表2、表3所示。

表1 C40混凝土配合比

表2 C40混凝土劈裂抗拉強度參考值 MPa

表3 混凝土物理熱學參數參考值

2.2 邊值條件

為了對大體積混凝土進行水化熱仿真分析，需要知道結構的邊值條件，邊值條件包括初始條件和邊界條件。初始條件為結構內部初始瞬間溫度場的分布，邊界條件為外部約束條件與對流邊界條件，根據實際結構及施工條件進行模擬分析。

2.2.1 對流邊界條件

承臺頂面擬采取保溫措施為：1層塑料薄膜+1層土工布+1層防雨布，其等效換熱系數取25 kJ/(m2·h·℃)；承臺側面擬采取保溫措施為：鋼模板+1 層土工布+1 層防雨布，其等效換熱系數取20 kJ/( m2·h·℃)。在實施過程中，承臺表面保溫措施可能需要根據實際的環境條件和溫度場實測情況，作適當調整。

2.2.2 約束邊界條件

封底墊層底部采用固結。承臺按照先后澆筑施工順序，逐次激活，并考慮實際的齡期差進行模擬計算。

2.2.3 承臺分層分塊條件

石首長江公路大橋主墩一級承臺厚7.0 m，采取3.0 m+4.0 m澆筑；二級承臺厚2.5 m，采取一次性澆筑。

承臺的有限元仿真計算模型和各層混凝土的施工過程模擬見圖2所示。有限元模型中由145 657個節點、135 240個單元組成。冷卻水管線路按照實際布置線路和位置模擬。各層混凝土的施工順序、間歇期、對流邊界等按照實際施工情況模擬。

(a) 封底混凝土施工

(b) 一級承臺第一層混凝土施工

(d) 二級承臺混凝土施工圖2 主塔承臺混凝土澆筑施工步驟劃分

2.2.4 其他邊界條件

構件尺寸：一級承臺 67.50 m×35.75 m×7.0 m；二級承臺(41.00～51.64) m×(18.00～23) m×2.5 m；

澆筑條件：根據實際施工條件，溫度為25 ℃；澆筑間隔期為7 d；；

冷卻水：江水，水溫20 ℃；水平管間距為100 cm，垂直管間距80～90 cm，距離混凝土表面/側面60～90 cm；混凝土升溫階段冷卻水流量為3 m3/h，進水溫度控制為20 ℃；降溫階段流量為0.5 m3/h，進水溫度控制為25～30 ℃。

3 仿真計算結果

3.1 溫度計算結果

在以上設定條件下，承臺內部最高溫度及最大內表溫差結果見表4，一級承臺第一層及第二層、二級承臺溫度時程如圖3所示(以第一層混凝土開始澆筑時刻為時間零點)，相應齡期溫度場分布如圖4～圖6所示。

表4 承臺內部最高溫度及最大內表溫差

3.2 應力計算結果

在以上設定條件下，主塔承臺溫度應力計算結果見表5，一級承臺第一層、一級第二層、二級承臺混凝土中心點、表面點相應齡期應力場分布見圖7～圖9。

表5 主塔承臺仿真計算結果

3.3 計算結果分析

3.3.1 溫度計算結果分析

根據仿真計算分析可知溫度場發展規律為：①先升后降，構件中心溫度最高；②構件約第3 d達到溫度峰值；③隨著內部溫度升高，內表溫差增大，之后逐漸降低。

一級承臺第一層、第二層、二級承臺溫峰及最大內表溫差出現時間約為澆筑后第3 d，內部最高溫度計算值符合JTGT F50-2011《公路橋涵施工技術規范》“大體積混凝土內部最高溫度不得高于75℃”、GB 50496-2009《大體積混凝土施工規范》“混凝土實際溫升不超過50℃”的規定。內表溫差符合JTGT F50-2011《公路橋涵施工技術規范》“大體積混凝土內表溫差控制在25℃以內”的規定。