大體積拱座混凝土水化熱溫度有限元分析及裂縫控制

(信陽學(xué)院土木工程學(xué)院 河南 信陽 464000)

大體積拱座混凝土水化熱溫度有限元分析及裂縫控制

王亮

(信陽學(xué)院土木工程學(xué)院河南信陽464000)

大體積拱座出現(xiàn)開裂的情況屢見不鮮，本文以大小井特大橋工程為依托，對大體積拱座混凝土水化熱進行溫度有限元分析，并提出有效的裂縫控制措施。

水化熱;有限元分析;溫度;裂縫

引言

大體積拱座混凝土在澆筑過程中，膠凝材料水化作用會釋放出大量的水化熱。普通混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)小，一般在8.39～12.56kJ/(m·h·℃)之間，熱量在混凝土內(nèi)部傳導(dǎo)困難。水化后混凝土內(nèi)部熱量散失緩慢，外部熱量散失快，造成混凝土內(nèi)外溫差過大，當(dāng)溫度產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于混凝土的抗拉強度時，容易引起混凝土開裂。為了防止產(chǎn)生裂縫，必須采取有效措施進行裂縫控制。本文以大小井特大橋工程項目為依托，采用大型有限元軟件ANSYS 11.0對大體積拱座混凝土水化熱進行溫度有限元分析，并提出裂縫控制的一些有效措施。

一、依托工程背景

大小井特大橋位于貴州省平塘縣境內(nèi)，是余慶至安龍高速公路平塘至羅甸段的重要組成部分。主橋采用計算跨徑450m的上承式鋼管混凝土變截面桁架拱，拱軸線采用懸鏈線，拱軸線系數(shù)m=1.55，矢高f=100m，矢跨比f/L=1/4.5。兩岸拱座均采用擴大基礎(chǔ)。拱座尺寸為30m(長)×28.7m(寬)×20.649m(高)，基底呈臺階狀。拱座采用C30 混凝土，兩岸拱座采用分層澆筑的施工方法。

二、理論計算與仿真計算分析

(一)理論水化熱計算

(二)仿真水化熱計算

圖1未設(shè)置冷卻管拱座水化熱溫度云圖

圖2設(shè)置冷卻管拱座水化熱溫度云圖

拱座水化熱采用ANSYS 11.0建模計算，混凝土模擬采用SOLID70單元，水管采用FLUID116單元。通過建模計算可知：未設(shè)置冷卻水管時，混凝土水化過程中的最高溫度為44.7℃，溫度云圖如圖1所示；混凝土水化過程較長，水化過程中溫度最高點處的溫度變化規(guī)律如圖a所示。與未設(shè)置冷卻水管計算結(jié)果相比，設(shè)置冷卻水管后混凝土最高溫度可降低44.7℃-39.5℃=5.2℃，溫度云圖如圖2所示；先升溫后降溫，溫峰過后降溫速度約為1℃/d，滿足規(guī)范要求，溫度最高點處的溫度變化規(guī)律如圖b所示。

圖a最高溫度點處的溫度變化圖

圖b最高溫度點處的溫度變化圖

有限元軟件計算結(jié)果與理論計算結(jié)果有誤差，但在允許范圍內(nèi)，說明模擬程序是正確的；同時也驗證了布置冷卻水管可以有效降低混凝土內(nèi)部最高溫度，減小內(nèi)外溫差，防止產(chǎn)生溫度裂縫，溫峰過后降溫速度約為1℃/d降溫速率適中，防止產(chǎn)生內(nèi)部微裂紋，滿足規(guī)范要求。

三、裂縫控制措施

(一)溫度控制

采用低熱膠凝材料，調(diào)整配合比，降低混凝土入模溫度，布置冷卻水管等措施都可以主動控制溫升。在水化作用的升溫階段應(yīng)加強內(nèi)部散熱，加大通水流量、降低通水溫度。當(dāng)混凝土處于降溫階段則需表面保溫覆蓋以減小降溫速率，讓混凝土慢慢冷卻，直到溫差達(dá)到允許范圍，溫度應(yīng)力會在混凝土內(nèi)部分松弛掉，可有效抑制有害裂縫的產(chǎn)生。

(二)分層澆筑和充分振搗

混凝土分層澆筑有利于散熱，防止熱量聚集在拱座內(nèi)部。正確進行混凝土拌和物的振搗，振動棒垂直插入，緩慢拔出，保證下層在初凝前再進行一次振搗。振搗時插點均勻，成行或交錯式前進，以免過振或漏振，避免用振搗棒橫拖趕動混凝土拌和物，以免造成離下料口遠(yuǎn)處砂漿過多而開裂。

(三)養(yǎng)護控制

混凝土養(yǎng)護包括濕度和溫度兩個方面，為防止上表面混凝土因失水造成的干縮裂縫和溫度收縮裂縫，待上表面混凝土初凝后可以采用冷卻管出水口廢水進行保濕養(yǎng)護，灑水后覆蓋塑料薄膜或土工布，側(cè)壁采用鋼模板、透水模板布保溫保濕養(yǎng)護。

四、結(jié)論

工程實踐中，可以將混凝土內(nèi)外溫差控制在允許范圍內(nèi)進而控制溫度裂縫；也可采取主動降溫措施來控制混凝土水化熱；還可以在混凝土表面布置抗裂鋼筋防止產(chǎn)生溫度裂縫。

[1]楊慶生,李春江,弓俊青.大體積混凝土凝固過程的溫度和應(yīng)力仿真與控制[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2007,33(9):948-953.

[2]朱伯芳.大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制探討[J].鐵道建筑,2006,(3):97-98.