基于Midas Civil橋梁承臺大體積混凝土溫度應力對裂縫的影響及控制

過海明， 高 鵬

(合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009 )

0 引 言

隨著我國經濟迅速的發展，大型橋梁日新月異，已經逐漸出現在我們的視野中，雖然我國的設計師在對橋梁的設計和施工有巨大的突破，但是在大體積基礎施工過程中仍然存在很多技術上難題，比如大體積混凝土承臺的溫度控制問題。[1]

各國對大體積并沒有形成一個統一的概念，但是都是對混凝土的尺寸、溫度和裂縫進行限制性來定義的。大體積結構在施工時，混凝土總用方量大，在施工過程中技術要求高，難度大，并且由于外部環境也會帶來很多問題，對模板強度要求比較高，內部集聚大量的熱量，極易使結構物或者構筑物產生溫度裂縫。因為平面方向尺寸非常大，在水平方向在溫度應力作用產生的力也愈大，若對于溫度產生裂縫的措施控制不當，當溫度應力超過混凝土容許的應力值時，裂縫產生的可能性就大幅度提高。

在施工過程中，裂縫產生有很多原因，但主要是溫度和收縮，溫度裂縫是由于膠凝材料在水化過程中熱，而在內部熱量集聚，溫升大，基本可以達到70℃以上。升溫速率高，降溫速率低，當溫度應力超過混凝土的容許的應力時，易產生表面裂縫或貫穿裂縫。收縮而產生的裂縫是由于配合比中水和水泥使用量較高，導致混凝土中骨料使用量較低，在膠凝材料以及骨料干硬過程中的收縮產生的應力非常大，當收縮產生的應力超過混凝土容許應力就會產生裂縫。

1 工程概況

本文以的某橋梁大體積承臺為研究對象，該承臺為矩形，平面的尺寸為20.5m 16m。承臺的高度為6m。在本工程中所采用的水泥為低熱水泥，混凝土C35等級，水和膠凝材料的比為0.39，砂率為37%,單位體積水泥使用量為230 kg。施工期間當地平均氣溫為20℃，混凝土容重為2 400 kg/m3，其他混凝土相關參數如表1。

表1 混凝土相關參數

2 Midas Civil 軟件進行水化熱分析理論

在對混凝土水化熱分析時，可使用Midas Civil進行建模分析，依據能量守恒的熱平衡方程原理，能夠模擬的施工的全過程，包括前期的分層分塊澆筑，冷卻的水管布置情況，散熱規律以及混凝土的收縮和徐變等復雜的影響因素。使用有限元來模擬各個節點的溫度隨時間的變化，并導出其他相關的物理參數。[2]對于混凝土的水化熱分析，常用的分析過程是進行熱傳導和溫度應力分析。 熱傳導分析是針對膠凝材料水化過程中的放熱、傳導和對流等隨齡期的變化的趨勢。[3]溫度應力分析是對節點的溫度進行等價轉化，再對節點部分進行加載，再分析結構隨齡期應力變化的趨勢。[4]

3 建模與結果分析

3.1 建模

在Midas Civil模型中，依據表1參數將承臺模擬成具有一定傳熱速率的結構。由于該承臺結構模型具有高度對稱性，所以我們僅對四分之一模型進行建模和分析，降低過程分析所使用的時間，便于觀察內部溫度、應力的變化情況。[5]這里的冷卻水管的間距為1 m，可布置6層。整個模型有10 067個單元，結點總數為11 594個。建立的有限元分析模型和冷卻水管的布置如圖1、圖2所示。

圖1 1/4承臺有限元模型

圖2 1/4承臺冷卻水管平面布置

3.2 結果分析

3.2.1 溫度情況分析

通過對模型分析計算可得，可清晰看出澆筑120 h時，最大溫度的時候溫度場的分布情況，如圖3所示。

圖3 1/4承臺澆筑120d溫度場分布

可取最高溫度處，在混凝土澆筑的第5 d左右出現，最高溫度為51.2 ℃，符合規范條件。承臺的表內溫度差情況如圖4所示，分析可知，承臺表內溫差最大值約20 ℃，滿足規范不大于25 ℃的要求。

圖4 承臺表內溫差變化曲線

3.2.2 應力情況分析

由導出的應力變化圖可得，許用應力一直處于實際溫度應力曲線上方，則許用應力大于溫度應力，符合規范的條件，不會有裂縫產生。具體變化曲線圖如圖5所示。

圖5 承臺表面最大應力變化曲線

4 裂縫控制方案及措施控制

4.1 從材料角度控制裂縫

從材料角度進行控制，具體提出以下幾點：

(1)可以合理使用減水劑，考慮高效減水劑的使用，目前在市場上種類繁多，但是基本性能都差異不大，均可增強混凝土和易性，減少水的使用量，利于其泵送和澆筑。也可以減少水泥使用量，節約水泥，達到經濟性要求。同時高效減水劑對水泥、粉煤灰、石子等混凝土原材料適應性好，不會對混凝土的后期的工作性能有影響。并且混凝土后期抗壓強度增加效果顯著。在工程及其試驗過程中也可以對混凝土進行復配，反復調整減水劑和其他外加劑的比例，得到該工程的最佳減水劑使用量，同時也有良好的維持坍落度效果和抗凍效果等。[6]從而在保證混凝土性能基礎上，達到經濟型效果。

(2)可以適當使用膨脹劑，膨脹劑具有補償混凝土收縮的作用。[7]由于礦物摻合料的摻入限制混凝土的膨脹，而膨脹劑的加入剛好補償剛好的收縮部分，從而降低了混凝土收縮可能性，降低混凝土產生裂縫產生的概率。在我國混凝土工程中，常用的膨脹劑有氧化鈣、氧化鎂類和金屬類等。在實際工程中均得到廣泛的使用，但是由于考慮到成本，要嚴格控制好外加劑用量，這樣才能達到最佳的經濟效益，才能符合實際工程的要求。

4.2 從施工角度控制裂縫

從施工角度進行控制，具體提出以下幾點：

(1)嚴格控制混凝土生產所用各種材料的溫度，特別是膠凝材料，提前5-7天預留專用倉水泥、粉煤灰以及礦粉，降低膠凝材料在入機溫度；嚴把粉煤灰的質量關，確保粉煤灰的各項指標合格。

(2)不定期地對砂石原材料供應點進行考察，確保進場原材料貨源穩定，對進場的骨料的質量嚴格把關，對骨料的相關參數做到每批次檢測，不合格骨料一律退貨。

(3)若在高溫期間進行大體積混凝土施工，為了避免因骨料溫度過高，需要定時的對砂石骨料進行噴淋灑水以降低骨料溫度，進而避免混凝土入模溫度偏高的現象。

(4)對混凝土出廠坍落度進行嚴格控制，監控混凝土的坍落度損失。對混凝土到達現場的坍落度進行檢測并嚴格控制，保持在合理的范圍內，使混凝土易性良好，不發生分層或離析現象。對個別車輛混凝土坍落度較小，可由技術人員現場加入外加劑進行調節，嚴格禁止非技術人員加水調整坍落度。

(5)大體積混凝土要進行連續作業，對連續供應的混凝土要求高。為了保證混凝土的施工要求，在項目澆筑混凝土期間，將實行外調以及試驗人員24h現場值班制，以便于能夠做到隨時監控現場情況，確保現場不斷料，不積壓過多車輛，保證混凝土在施工過程中能夠連續澆筑的同時也不至于由于混凝土等待時間過長導致混凝土出現坍損過大無法施工的現象出現。

5 結 論

(1)Midas Civil可以模擬橋梁承臺建筑期間的溫升，可以為實際工程提供方案和參考。同時我們也可以調節不同的冷卻水管的鋪設厚度，然后繼續分析同一高度承臺的表內溫差。在實際工程中這樣對裂縫控制的頗有意義。

(2)在大體積混凝土施工過程中，尤為重視裂縫問題。可先進行配合比設計，再進行試配和優化，得到最佳配合比。對原材料的性質嚴格把關，水泥選擇低熱水泥，減少使用量，粗骨料選用連續級配，細骨料選擇恰當的細度模數，并合理的使用外加劑。在澆筑過程中，施工管理人員也要對入模前的混凝土進行檢測，對不合格的混凝土予以相應處理。可為以后同類型工程提供理論指導。