懸索橋隧道式錨定結(jié)構(gòu)大體積混凝土施工溫度應(yīng)力分析

田卜元， 謝朋林， 徐 皓， 張 倩， 高瑞琪

（中國建筑第六工程局有限公司，天津300451）

目前，大體積混凝土施工常見于基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)中，如大型橋梁墩臺、大型建筑物基礎(chǔ)以及水利大壩等[1]。近年來，工程建設(shè)規(guī)模越來越大，施工進度越來越快，大體積混凝土施工中出現(xiàn)的裂縫問題也日益增多[2]。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，對大體積混凝土施工進行數(shù)值模擬已經(jīng)成為一種重要手段。周世康等[3]對隧道錨塞體大體積混凝土溫度場作了監(jiān)測與數(shù)值分析；王連彬等[4]對懸索橋隧道錨碇大體積混凝土水化熱進行了分析和研究；詹元林等[5]通過Midas/FEA對大體積混凝土水化熱進行了仿真計算；趙超等[6]使用Midas/FEA 進行數(shù)值模擬并分析了某大橋主墩承臺水化熱影響因素。

上述研究都是將錨碇結(jié)構(gòu)單獨建模進行分析，而沒有將周邊巖體與錨體進行耦合分析。本文以實際工程為例，借助MIDAS FEA 有限元計算軟件，建立巖體與錨體耦合模型并進行數(shù)值分析。

1 工程概況

越龍懸崖玻璃橋包含重力式、隧道式、抗風(fēng)式3類錨碇結(jié)構(gòu)，東西兩側(cè)交叉布置；其中隧道錨軸線總長度為58.675 m，與地面最大垂直深度為32 m，最大傾角達29.4°，呈喇叭形，開挖量5 400 m3，澆筑混凝土達3 100 m3，屬于大體積混凝土。

2 大體積混凝土溫度應(yīng)力分析

2.1 建立模型

采用Midas FEA 建立整體結(jié)構(gòu)模型。為了更真實地模擬隧道錨混凝土的傳熱，模型分為兩部分：巖體和錨固體。兩部分需耦合節(jié)點，使熱可以從錨固體傳到巖體。

2.1.1 巖體建模

建立隧道錨的巖體模型，混凝土水化熱作用產(chǎn)生的熱量將通過接觸面導(dǎo)向巖體，見圖1。

圖1 巖體網(wǎng)格劃分

2.1.2 錨體建模

建立隧道錨模型，借助Midas FEA 強大的實體建模功能，可以實現(xiàn)對不規(guī)則實體模型的建模。應(yīng)當(dāng)注意的是，隧道錨混凝土外表面應(yīng)當(dāng)與巖體內(nèi)表面共面；否則在之后的自動網(wǎng)格劃分中將無法實現(xiàn)兩個實體的共同作用，混凝土水化熱的熱量將不能傳遞給周邊巖體，導(dǎo)致模型不能反映實際工程情況。錨固體網(wǎng)絡(luò)劃分見圖2。

圖2 錨固體網(wǎng)格劃分

2.2 參數(shù)輸入

2.2.1 參數(shù)

程序計算中所需用到的參數(shù)見表1。

表1 計算參數(shù)

2.2.2 邊界條件

共設(shè)3種邊界條件，分別為對流邊界、約束條件、固定溫度。

1）對流邊界。分別在4 個施工階段的表面施加對流邊界條件，調(diào)用已定義的對流函數(shù)，見圖3。

圖3 對流邊界

2）約束條件。對巖體四周設(shè)置固定約束，見圖4。

圖4 約束條件

3）固定溫度。巖體外表面設(shè)固定溫度20 ℃。

2.3 荷載

在每個施工階段，每1 m布置一層冷凝管，冷凝管距表面的距離取0.5 m，見圖5。

圖5 冷凝管設(shè)置

2.4 熱源

在水化熱分析中，熱源為所有混凝土，在模型中，選取所有節(jié)點并調(diào)用已定義好的熱源函數(shù)，見圖6。

圖6 熱源設(shè)置

3 模擬結(jié)果

3.1 規(guī)范要求

3.1.1 溫度要求

混凝土澆筑體在入模溫度基礎(chǔ)上的溫升值≯50℃，里表溫差(不含混凝土收縮的當(dāng)量溫度)≯25℃；降溫速率≯2.0/（d·℃）。混凝土澆筑體表面與大氣溫差≯20 ℃。

3.1.2 應(yīng)力要求

最大拉應(yīng)力應(yīng)小于軸心抗拉強度設(shè)計值。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 溫度分析

澆筑混凝土?xí)r，由于膠凝材料的水化作用，使混凝土溫度升高，各個施工階段中最大溫度為39.85 ℃，見圖7。混凝土澆筑溫度為20 ℃，溫度最大升高了19.85 ℃＜50 ℃，滿足規(guī)范要求。

圖7 各施工階段最高溫度

分別在第三和第四個施工階段混凝土內(nèi)部和外部各取一個點，讀取溫度變化，見圖8和圖9。

圖8 取點

圖9 兩點的溫度變化

由圖9 可知，最大表里溫差分別為7.4℃和18℃，均＜20 ℃，滿足規(guī)范的要求。

在模型中分別選取8個點，其分布在各個施工階段，讀取其溫度變化，見圖10和圖11。

圖10 各施工階段取點布置

圖11 各點處溫度變化

由圖11 可知，平均每天溫降最大為1.5 ℃＜2.0 ℃，滿足規(guī)范要求。

在各施工面取一點，讀取各點的溫度變化，見圖12。

圖12 各點處溫度變化

由圖12可知，表面溫度最高溫度為23.8 ℃。大氣溫度為20 ℃，該點處與大氣溫度的溫差為3.8 ℃＜20 ℃，滿足規(guī)范要求。

3.2.2 應(yīng)力分析

本工程所用混凝土強度等級為C30，其軸心抗拉強度設(shè)計值為1.43 MPa。各個施工階段最大拉應(yīng)力見圖13。

圖13 各施工階段應(yīng)力分布

由圖13 可知，在各施工階段中，有97.6%的點的最大應(yīng)力＜1.38 MPa，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

通過運用Midas FEA，建立大體積混凝土實體模型。經(jīng)計算，混凝土溫度與應(yīng)力指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求。冷凝管應(yīng)嚴(yán)格按照計算模型進行布置，即每1 m厚度布置一層冷凝管并且冷管直徑為40 mm，上下偏差不得超過2 mm，流速≮50 cm/s。施工過程中應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)控混凝土內(nèi)部及表面的溫度變化并做好覆蓋保護措施。如果發(fā)現(xiàn)實測溫度變化曲線與模型仿真曲線有較大差異，應(yīng)立即停止施工，分析原因，找到解決方法后，按照相關(guān)規(guī)定，再次組織施工。

本論文重點關(guān)注對大體積混凝土的數(shù)值仿真分析，沒有對實測數(shù)據(jù)進行研究。未來將對施工測量數(shù)據(jù)進行深入研究，把實測數(shù)據(jù)與數(shù)值分析結(jié)果進行對比分析。□■