混凝土橋臺水化熱仿真分析與裂縫處理

摘 要：【目的】針對混凝土橋臺臺身在施工期間產生豎向裂縫的問題，對該橋臺溫度場與應力場進行數值模擬。【方法】通過Midas FEA NX軟件，對臺身混凝土內外部溫度、應力進行了水化熱仿真分析。【結果】分析結果表明：臺身混凝土內外部溫差較大，臺身混凝土外部拉應力超出了實測抗拉強度（72～336 h）；將溫度場、應力場分析結果與該橋臺臺身實際裂縫情況進行對比分析，找出了橋臺臺身開裂原因；將實測裂縫情況與仿真模擬結果對比分析，發現Midas FEA NX軟件可有效分析混凝土水化熱溫度、應力變化情況。【結論】結合該橋臺臺身裂縫情況與仿真分析結果，對該橋臺臺身的裂縫提出了相應的處置建議，并在裂縫處理完成約半年之后對裂縫進行了復查，發現其表面穩定，未有擴展現象。

關鍵詞：混凝土橋臺；大體積混凝土；混凝土水化熱

中圖分類號：U44? ? ? 文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1003-5168（2023）08-0057-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.08.011

Simulation Analysis of Hydration Heat of Concrete Abutment and Crack Treatment

ZHANG Zhi

（Local Highway Management Section of Xinping County， Yuxi City， Yunnan Province， Yuxi 653499， China）

Abstract：[Purposes] In order to analyze the problem of vertical cracks in the concrete abutment body during construction， the temperature and stress fields of the abutment were numerically simulated. [Methods] The hydration heat simulation analysis of the internal and external temperature and stress of the abutment body concrete was conducted through Midas FEA NX software. [Findings] The analysis results show that the temperature difference between the inside and outside of the abutment concrete is large， and the external tensile stress of the abutment concrete exceeds the measured tensile strength （72～336 h）; The analysis results of temperature field， stress field and the actual cracks of the abutment body are analyzed to find out the reasons for the cracks of the abutment body; by comparing the measured cracks with the simulation results， it is found that the Midas/FEA NX can effectively analyze the temperature and stress changes of concrete hydration heat. [Conclusions] Combined with the cracks of the abutment body and the simulation analysis results， the corresponding disposal suggestions are put forward for the cracks of the abutment body. About half a year after the crack treatment， the cracks are rechecked， and the surface of the cracks is stable without expansion.

Keywords：concrete abutment; mass concrete; hydration heat of concrete

0 引言

重力式橋臺依靠自身重量來平衡外力保持穩定，適用于地基良好的橋梁。在目前的施工中，通常采用混凝土澆筑基礎和臺身，此施工方式可節約鋼筋，便于就地取材，在橋梁工程中得到了廣泛應用［1］。混凝土重力式橋臺雖然具有諸多優點，但其截面尺寸較大，施工過程中混凝土的水化熱作用明顯，加上混凝土收縮、環境溫濕度變化等因素的影響，容易出現裂縫［2］。

本研究以某臺身開裂的混凝土重力式橋臺為依托，對臺身裂縫情況進行了調查分析，并且采用有限元分析方法，對臺身澆筑時的溫度場、應力場進行仿真模擬，分析其對臺身開裂的影響，并提出相應的處理措施，為同類型的工程事故處理提供參考。

1 工程背景

新河橋0#橋臺為重力式一字型橋臺、承臺接鉆孔灌注樁基礎。橋臺長L=56.56 m，承臺厚2.0 m， 樁間距均為 6.0 m，樁徑為 1.6 m，橋臺前排樁長為40 m，后排樁長為35 m。臺身高為4.0 m，臺身澆筑時分成上、下兩模澆筑。臺身第一模澆筑日期為7月14日，第二模澆筑日期為8月3日。臺身第二模澆筑完成后，施工單位發現臺身前墻存在2條豎向裂縫，位于橋臺長度方向的3L/5與7L/10處。裂縫出現后，為分析裂縫成因，檢測單位采用裂縫綜合測試儀對裂縫進行了寬度和深度檢測，測得的裂縫信息見表1。

2 臺身水化熱效應仿真模擬

本項目中的臺身為梯形截面，上寬1.70 m，下寬3.03 m，高4.00 m，澆筑時分兩層澆筑，每層2 m，因尺寸較大，屬于大體積混凝土的范疇（單邊尺寸≥50 cm）［3］。為了量化分析水化熱效應對臺身開裂的影響，采用Midas FEA NX通用有限元分析軟件進行建模，對臺身澆筑過程的水化熱效應進行模擬分析。

2.1 計算參數

該臺身混凝土的設計強度為C30，水泥為P.O42.5，混凝土配合比見表2。混凝土導熱系數與比熱容可根據混凝土配合比（見表2）、主要材料的熱工性能（見表3）和材料的比熱容性能（見表4）按式（1）和（2）計算［4］。計算結果：比熱系數為0.949 kJ/（kg·℃）；傳導率為9.04 kJ/（m·hr·℃）。

[λ=1pp1λ1+p2λ2+p3λ3+p4λ4+p5λ5] （1）

[C=1pp1C1+p2C2+p3C3+p4C4+p5C5] （2）

式中：[λ]為比熱系數；[C]為傳導率；[p]、[p1]、[p2]、[p3]、[p4]、[p5]分別為混凝土、水泥、砂、石、水、粉煤灰的質量占比；[λ1、λ2、λ3、λ4、λ5]分別為混凝土、水泥、砂、石、水的熱傳導系數，m/K；[C1]、[C2]、[C3]、[C4]、[C5]分別為混凝土、水泥、砂、石子、水、粉煤灰的導熱系數，kJ/（kg ·K）。

《建筑施工計算手冊》［5］給出了混凝土絕熱與升溫的計算公式如式（3）、式（4），即先得到粉煤灰的密度參量，根據規范取值水化熱的調整系數［8］，算出每千克水泥水化熱總量，最后得到混凝土絕熱溫升值，計算結果見表5。

[T=mcQCρ] （3）

[Tt=mcQCρ1-e-mt] （4）

式中：[T（t）]為混凝土的絕熱溫升值；[mc]為每立方米混凝土水泥用量，kg/[m3]；Q為每千克水泥水化熱量，J/Kg；C為混凝土比熱容，根據規范［5］一般取0.96 kJ/kg·K；[ρ]為混凝土的質量密度，根據規范［6］本研究取2 400 kg/[m3]；e為常數2.718；m為反應速度系數，根據經驗取值，根據規范［7］，本研究取值0.015 0；T為絕熱溫升起值。

根據該項目施工工期及經驗，確定混凝土入模溫度為20 ℃，環境溫度為20 ℃。承臺所處的地區風速為2 m/s，在實際施工過程中，承臺表面覆蓋有木模板，其導熱系數為 0.14 kJ/m·℃，厚度為0.02 m。承臺表面覆蓋有模板等材料后，按經驗公式計算得到臺身表面的邊界對流系數為6.91 kJ/（m2·h·℃）。

利用有限元軟件Midas FEA NX對該承臺的水化熱效應進行建模分析，有限元模型如圖1所示。

2.2 溫度分析結果

對橋臺臺身混凝土進行了溫度場分析，結果如圖2至圖4所示。由溫度云圖可知，混凝土澆筑后，橋臺臺身結構中心部分的溫度比表層混凝土溫度高，臺身中部混凝土溫度比兩端混凝土溫度高。混凝土澆筑120 h 后臺身縱向3L/5、7L/10處中心溫度達到最高值69.752 ℃、69.673 ℃；在混凝土澆筑后160 h，3L/5、7L/10處內外部溫度差達到最高值28.882 ℃、26.707 ℃，已超過《公路橋涵施工技術規范》（JTG/TF 50—2011）［7］中“大體積混凝土的養護溫差不宜超過 25 ℃”的規定。

該模型考慮了模板對混凝土表面散熱的影響，混凝土內部升溫在120 h達到峰值，混凝土表面升溫較大且高于環境溫度，溫度上升最高為49.752 ℃，基本滿足《公路橋涵施工技術規范》（JTG /T F50—2011）中的“大體積混凝土澆筑體在入模溫度基礎上的溫升值不宜大于50 ℃”的規定。

2.3 應力分析結果

外部混凝土呈受拉狀態、內部混凝土則為受壓狀態，如圖5所示。應力分析結果表明，混凝土澆筑初期，橋臺前墻出現的較大拉應力為1.75 MPa，混凝土澆筑120 h后拉應力值達到峰值2.73 MPa。

為了求得混凝土的實際抗拉強度，對C30混凝土實測了3 d、7 d、14 d和28 d的劈裂抗拉強度，實測強度混凝土臺身表面應力的比較如圖6所示。由圖6可知，在72～336 h時間范圍內，水化熱在表面產生的混凝土拉應力超過了混凝土的實測抗拉強度。

3 裂縫成因分析與處治

3.1 裂縫成因分析

混凝土裂縫從形成原因上可分為受力裂縫和非受力裂縫兩大類［8］。受力裂縫是指由荷載作用所產生的裂縫；非受力裂縫是指由于混凝土收縮、溫度變形等受到約束所產生的裂縫。從荷載作用的角度來分析，本項目中橋臺可能的荷載作用主要有兩方面：一是樁基礎的不均勻沉降；二是臺背土壓力的水平力作用。

從力學簡化來看，樁基以上的承臺、臺身和臺帽可視為一個沿橋梁橫向的彈性支承連續梁，當樁基礎產生不均勻沉降時，會在連續梁中產生彎矩和剪力，從而產生彎曲正應力和豎向剪應力，裂縫的形成方向會垂直于主拉應力方向（由彎曲正應力和豎向剪應力合成），裂縫通常呈現斜裂縫的特征，與本項目中裂縫呈豎向的現象不符，因此，本項目橋臺裂縫可以排除樁基不均勻沉降的原因。

當臺背土壓力過大時，將水平擠壓臺身，使臺身向外鼓凸，從而產生豎向裂縫，本項目中臺身厚度很大，臺身向外鼓凸的可能性不大，即使假定豎向裂縫是由于水平土壓力向外擠壓所致，裂縫應主要分布于橋臺臺身靠近1#墩方向一側，橋臺豎向裂縫理應向臺帽或臺身第一模延伸，而本項目中兩條臺身豎向裂縫恰好僅僅分布于第二模范圍內（2～4 m高度）。因此，本項目橋臺裂縫可以排除臺背土壓力過大的原因。

由2.3節的分析可知，在72～336 h時間范圍內，水化熱在表面產生的混凝土拉應力超過了混凝土的實測抗拉強度。因此，臺身在水化熱內外溫差作用下產生的表面拉應力，是臺身出現豎向裂縫的主要原因。

3.2 裂縫處治效果

通過裂縫檢測和成因分析，新河橋0#橋臺臺身裂縫是由于水泥水化熱影響造成的淺表性早期非受力裂縫。由于橋臺以豎向受壓為主，裂縫對橋臺受力的影響可以忽略，但裂縫過寬，可能對耐久性造成影響。

為了減小裂縫對混凝土耐久性的可能影響，采用裂縫修補膠對裂縫進行了灌注處理。裂縫處理完成約半年之后，對裂縫進行了復查，裂縫表面穩定，未有擴展現象，說明裂縫的成因分析和處治措施得當。

4 結語

本研究依托新河橋0#臺出現臺身豎向裂縫的工程實例，對臺身澆筑過程的水化熱進行分析，并對裂縫成因進行分析，排除了樁基礎不均勻沉降和臺背土壓力可能性，確定水化熱內外溫差作用所產生的混凝土表面拉應力是出現臺身豎向裂縫的主要原因。根據裂縫成因分析，提出對裂縫進行灌縫處理的方案，處理效果良好。

參考文獻：

［1］中交第二公路工程局有限公司. 公路橋梁施工系列手冊：墩臺與基礎（上篇）（精）［M］. 北京：人民交通出版社，2014.

［2］崔容義.大跨度橋梁邊墩水化熱溫度場分析與合理溫控措施研究［J］.鐵道建筑，2011，449（7）：36-38.

［3］朱伯芳. 大體積混凝土溫度應力與溫度控制［M］. 北京：中國電力出版社，1999.

［4］王博. 大體積混凝土承臺水化熱效應及溫控措施研究［D］.西安：長安大學，2019.

［5］江正榮. 建筑施工計算手冊［M］. 北京：中國建筑工業出版社，2001.

［6］中華人民共和國住房和城鄉建設部.大體積混凝土施工標準：GB 50496—2018［S］.北京：中國建筑工業出版社，2018.

［7］中華人民共和國交通運輸部. 公路橋涵施工技術規范：JTG/T F50—2011［M］. 北京：人民交通出版社，2011.

［8］黃薇宇. 港口與航道工程大體積混凝土裂縫控制［J］. 新材料新裝飾，2022（15）：4.

收稿日期：2023-01-06

作者簡介：張智（1987—），男，本科，工程師，研究方向：公路橋梁養護管理。