考慮鋼筋作用的大體積混凝土水化熱分析

楊虎

摘要：為了控制某承臺(tái)大體積混凝土澆筑質(zhì)量，考慮鋼筋作用，利用Midas/FEA對(duì)承臺(tái)施工進(jìn)行有限元分析。結(jié)果表明：考慮鋼筋的影響，承臺(tái)養(yǎng)護(hù)期溫度更加均勻，溫度應(yīng)力也較小。因此在分析承臺(tái)大體積混凝土水化熱問(wèn)題時(shí)，考慮鋼筋的有利影響是有必要的。

Abstract： In order to control the mass concrete pouring quality of a bearing platform， the finite element analysis of Midas/FEA was carried out for the construction of the bearing platform considering the effect of steel reinforcement. The results show that the temperature is more uniform and the temperature stress is smaller when the influence of steel reinforcement is taken into account. Therefore， it is necessary to consider the beneficial effect of steel reinforcement when analyzing the hydration heat problem of mass concrete bearing platform.

關(guān)鍵詞：大體積混凝土;水化熱;鋼筋;有限元

Key words： mass concrete;the hydration heat;reinforced;the finite element

中圖分類(lèi)號(hào)：TU528.36 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2020）25-0144-02

0 ?引言

隨著橋梁向著大跨度方向發(fā)展，大體積混凝土被廣泛運(yùn)用于橋梁的承臺(tái)[1]。大體積混凝土澆筑后，水泥水化熱反應(yīng)放出大量熱量，使承臺(tái)內(nèi)部溫度快速升高。結(jié)構(gòu)內(nèi)部水化熱積聚不易散發(fā)，外部則散熱較快，由于內(nèi)外溫差過(guò)大，導(dǎo)致混凝土過(guò)早開(kāi)裂[2]。鋼筋和混凝土兩種材料的力學(xué)性能和熱學(xué)性能都相差較大，混凝土配置鋼筋后，將直接影響混凝土結(jié)構(gòu)澆筑后的溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力[3]。因此在承臺(tái)大體積混凝土水化熱分析中考慮普通鋼筋的影響是有必要的。

1 ?工程概況

某大跨連續(xù)剛構(gòu)橋承臺(tái)的結(jié)構(gòu)尺寸為16m×10m×3m，承臺(tái)混凝土方量為480m3，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C40，配合比為：每立方混凝土中水泥含量200kg，水150kg，碎石1120kg，砂780kg，粉煤灰110kg，礦粉90kg，減水劑4.5kg。

承臺(tái)內(nèi)部布置冷卻水管，冷卻水管采用直徑27mm，壁厚3mm的鋼管，冷管水平間距和豎向間距均為1m，到承臺(tái)邊緣距離均為0.5m。承臺(tái)一次性澆筑完成。

2 ?建立有限元模型

傳統(tǒng)承臺(tái)大體積混凝土水化熱分析，按照素混凝土進(jìn)行建模計(jì)算，未考慮普通鋼筋的影響。為了得到承臺(tái)澆筑后溫度及應(yīng)力的變化規(guī)律，以及鋼筋對(duì)結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力的影響[4]。筆者利用Midas/FEA建立兩個(gè)承臺(tái)有限元模型，一個(gè)考慮普通鋼筋的作用，一個(gè)按照傳統(tǒng)建立素混凝土有限元模型，做對(duì)比分析。

2.1 有限元模型

地基平面尺寸取承臺(tái)外邊線(xiàn)加寬3m，厚度為3m，承臺(tái)為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，取承臺(tái)1/4，建立有限元模型。

承臺(tái)和地基用六面體單元模擬，承臺(tái)單元尺寸在0.25m左右，地基單元尺寸在0.6m左右。普通鋼筋采用桁架單元模擬，單元尺寸在0.25m左右。鋼筋單元與承臺(tái)混凝土單元共用節(jié)點(diǎn)[5]。有限元模型共計(jì)19299個(gè)節(jié)點(diǎn)，43276個(gè)桁架單元，18060個(gè)實(shí)體單元。同時(shí)建立一個(gè)傳統(tǒng)素混凝土有限元模型做對(duì)比分析。承臺(tái)仿真模型及冷卻水管布置如圖1所示，鋼筋骨架如圖2所示。

2.2 計(jì)算參數(shù)

承臺(tái)混凝土計(jì)算參數(shù)如下：比熱容取0.25kcal/（kg·℃），熱傳導(dǎo)率2.3kcal/（m·h·℃），密度取2455kg/m3，熱膨脹系數(shù)取1.0e-05，泊松比取0.2。

地基的計(jì)算參數(shù)如下：其比熱容取0.2kcal/（kg·℃），熱傳導(dǎo)率取1.7kcal/（m·h·℃），密度取1800kg/m3，熱膨脹系數(shù)取1.0e-05，泊松比取0.2。

鋼筋采用HRB400，鋼筋計(jì)算參數(shù)如下：比熱容取0.46J/（kg·℃），鋼筋熱傳導(dǎo)率取376kJ/（m·h·℃），密度取7698kg/m3，熱膨脹系數(shù)取1.2e-05，泊松比取0.3。

2.3 邊界設(shè)置

地基底面及側(cè)面約束三個(gè)方向的平動(dòng)自由度，地基及承臺(tái)剖面分別約束對(duì)應(yīng)方向平動(dòng)自由度。承臺(tái)在夏季澆筑，環(huán)境溫度取20℃，地基底面及側(cè)面溫度固定取15℃。地基頂面及承臺(tái)側(cè)面放熱系數(shù)取12kcal/（m2·h·℃），承臺(tái)上表面采用草袋覆蓋保溫，灑水養(yǎng)護(hù)，放熱系數(shù)取4kcal/（m2·hA·℃）。

2.4 管冷與熱源函數(shù)

水流入溫度取15℃，流量1.2m3/h，比熱取1kcal/（kg·℃）。冷卻水管直徑27mm，對(duì)流系數(shù)取320kcal/（m2·h·℃）。

熱源函數(shù)采用指數(shù)形式，Q（t）=K·（1-e-rt）。式中：Q（t）為齡期為t時(shí)的絕熱溫升，K為最大絕熱溫升取35℃，r為導(dǎo)溫系數(shù)取0.724，熱源函數(shù)如圖3所示。

3 ?有限元分析結(jié)果

為了得到普通鋼筋對(duì)承臺(tái)水化熱效應(yīng)的影響規(guī)律，取承臺(tái)中心點(diǎn)和表面為分析點(diǎn)分析其溫度及溫度應(yīng)力隨時(shí)間的變化規(guī)律。承臺(tái)中心溫度對(duì)比如圖4所示。

由圖4可知，考慮普通鋼筋作用承臺(tái)中心點(diǎn)溫度比未考慮鋼筋影響時(shí)要小，最大差值為5℃發(fā)生在承臺(tái)澆筑后144h。承臺(tái)澆筑后養(yǎng)護(hù)前期和后期鋼筋對(duì)溫度場(chǎng)影響較小，養(yǎng)護(hù)中期影響較大。

承臺(tái)表面溫度應(yīng)力對(duì)比圖如圖5所示。

由圖5可知，考慮普通鋼筋作用承臺(tái)表面溫度應(yīng)力比未考慮鋼筋影響時(shí)要小，最大差值為0.41MPa發(fā)生在承臺(tái)澆筑后144h。承臺(tái)澆筑后養(yǎng)護(hù)前期和后期鋼筋對(duì)溫度應(yīng)力影響較小，養(yǎng)護(hù)中期影響較大。

4 ?結(jié)論

①在分析承臺(tái)大體積混凝土水化熱問(wèn)題時(shí)，鋼筋可減小混凝土結(jié)構(gòu)的比熱，增大混凝土結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱性能。使承臺(tái)結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差降低，進(jìn)而減小承臺(tái)結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力。

②普通鋼筋對(duì)承臺(tái)澆筑后養(yǎng)護(hù)期溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力的影響：其影響是有利的，在澆筑后養(yǎng)護(hù)前期和后期影響較小，澆筑后養(yǎng)護(hù)中期影響較大。

③考慮鋼筋作用可增加承臺(tái)結(jié)構(gòu)的抗裂性能，提高承臺(tái)混凝土澆筑質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮練，秦鴻佩.承臺(tái)大體積混凝土水化熱數(shù)值模擬[J].四川建筑，2019，39（03）：254-257.

[2]王博，程觀奇.考慮管冷及保溫的大體積混凝土水化熱分析[J].市政技術(shù)，2019，37（02）：231-233，241.

[3]劉曉濤，張志文.大體積混凝土水化熱溫度應(yīng)力分析[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2017，07（02）：156-158，161.

[4]陳長(zhǎng)華.考慮鋼筋作用的水工結(jié)構(gòu)施工期溫度場(chǎng)與溫度應(yīng)力分析[D].南京：河海大學(xué)，2006.

[5]王輝.RC梁橋裂縫寬度計(jì)算方法研究[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2014.