大體積混凝土水化熱仿真分析

劉 濤(中鐵建大橋工程局集團(tuán)第一工程有限公司, 遼寧大連 116033)

大體積混凝土水化熱仿真分析

劉 濤
(中鐵建大橋工程局集團(tuán)第一工程有限公司, 遼寧大連 116033)

文章從大體積混凝土水化熱效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)開裂的影響出發(fā)，分析了施工階段大體積混凝土的溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力分布規(guī)律。以石首長江大橋主墩承臺(tái)為研究對(duì)象，根據(jù)混凝土材料特性、實(shí)際施工條件，利用大型有限元軟件建立有限元模型進(jìn)行仿真分析，研究在澆筑過程中混凝土的溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力的分布規(guī)律。分析結(jié)果表明：各施工階段結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力安全系數(shù)較大，滿足相應(yīng)規(guī)范要求；承臺(tái)在澆筑過程中，中心溫度先升后降，在第3天時(shí)達(dá)到峰值，且內(nèi)表溫差隨中心溫度變而變化；承臺(tái)早期應(yīng)力由內(nèi)表溫差引起，集中于表面；由于混凝土收縮等因素影響，后期應(yīng)力集中于結(jié)構(gòu)中心，且隨齡期增長不斷增大。

大體積混凝土；施工階段；溫度；溫度應(yīng)力

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施的不斷發(fā)展，大體積混凝土廣泛應(yīng)用于超大建筑、大壩及超大型橋梁等結(jié)構(gòu)中，并成為主要受力部位。由于大體積混凝土結(jié)構(gòu)的特殊性，結(jié)構(gòu)尺寸較大，在澆筑過程中，混凝土產(chǎn)生大量的水化熱，致使大體積混凝土內(nèi)部溫度迅速上升，與混凝土表面形成巨大的溫差，產(chǎn)生溫度拉應(yīng)力，加之混凝土材料抗拉性能差、混凝土收縮受到外部(地基或結(jié)構(gòu))的約束，在大體積混凝土結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生貫穿裂縫，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性產(chǎn)生極大影響，故有必要對(duì)大體積混凝土進(jìn)行水化熱應(yīng)力分析。

目前結(jié)構(gòu)中對(duì)大體積混凝土沒有具體的定義，但是相比普通混凝土結(jié)構(gòu)，大體積混凝土具有體積大、水化熱產(chǎn)生的溫度應(yīng)力大的特點(diǎn)，必須采取相關(guān)的技術(shù)及施工措施，合理處理水化熱產(chǎn)生的溫度應(yīng)力、體積變形及混凝土裂縫的問題。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)大體積混凝土水化熱的研究較多。劉亮[1]從施工角度簡述了大體積混凝土的施工方法及裂縫預(yù)防措施；江昔平和王社良等[2]指出了大體積混凝土溫度裂縫產(chǎn)生的兩個(gè)必要條件——溫度和約束；龔劍和李宏偉[3]介紹了施工規(guī)范中大體積混凝土的相關(guān)內(nèi)容及注意事項(xiàng)。

為進(jìn)一步探討大體積混凝土的結(jié)構(gòu)特性，本文結(jié)合石首長江大橋主墩承臺(tái)的澆筑情況，利用大型有限元軟件建立有限元模型進(jìn)行溫度應(yīng)力仿真分析，探索大體積混凝土水化熱產(chǎn)生的溫度應(yīng)力分布及裂縫控制措施，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 石首長江大橋主墩承臺(tái)概況

石首長江公路大橋主橋?yàn)殡p塔單側(cè)混合梁斜拉橋，主橋橋跨布置為(75×3+820+300+100) m，混凝土主梁和鋼主梁均采用分離式雙邊箱的PK梁斷面，索塔采用收腿的倒Y 型造型。主墩103#墩承臺(tái)形狀為圓端矩形，平面外輪廓尺寸67.5 m×35.75 m，一級(jí)承臺(tái)厚7 m，二級(jí)承臺(tái)厚2.5 m。

主墩一級(jí)承臺(tái)及二級(jí)承臺(tái)采用C40混凝土，封底墊層采用2.0 m厚的C20水下混凝土。一級(jí)承臺(tái)分兩層澆筑，第一層厚3 m，第二層厚4 m；二級(jí)承臺(tái)一次澆筑完成，厚2.5 m。承臺(tái)各層澆筑間歇期預(yù)定為7～10 d，受到施工條件的限制，實(shí)際澆筑間歇可能會(huì)有調(diào)整。承臺(tái)示意如圖1所示。

(a) 承臺(tái)正視

(b) 承臺(tái)俯視圖1 承臺(tái)示意(單位：cm)

2 水化熱仿真分析

大體積混凝土水化熱仿真分析包括溫度分布分析與溫度應(yīng)力分析兩個(gè)部分。溫度分布分析計(jì)算獲取大體積混凝土澆筑過程中產(chǎn)生的放熱、對(duì)流及傳導(dǎo)等引起的結(jié)構(gòu)不同部分的溫度變化；溫度應(yīng)力分析是根據(jù)溫度變化所得的溫度應(yīng)力變化特性、混凝土的時(shí)變特性及結(jié)構(gòu)施工步驟等，計(jì)算得出大體積混凝土結(jié)構(gòu)在澆筑時(shí)的溫度應(yīng)力分布。仿真分析根據(jù)實(shí)際材料參數(shù)及結(jié)構(gòu)實(shí)際邊界條件進(jìn)行分析。

2.1 混凝土材料特性

主墩103#墩承臺(tái)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C40，一級(jí)承臺(tái)分兩層澆筑3 m+4 m，二級(jí)承臺(tái)一次澆筑完成2.5 m，根據(jù)施工單位提供的資料，混凝土材料性能如下所示。

水泥：華新水泥PII42.5；

粉煤灰：F類II級(jí)；

磨細(xì)礦渣粉：密度不小于2.8 g/cm3，燒失量不大于3.0 %；比表面積370 m2/kg；

細(xì)集料：細(xì)度模數(shù)2.72；

粗集料：4.75～26.5 mm碎石(4.75～9.5 mm，9.5～19 mm，19～26.5 mm；

外加劑：聚羧酸高性能減水劑(緩凝型)，摻量為膠凝材料用量1.0 %；

水：長江江水。

承臺(tái)C40混凝土配合比如表1所示。

參考相關(guān)工程資料，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度、物理熱學(xué)參數(shù)取值如表2、表3所示。

表1 C40混凝土配合比

表2 C40混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度參考值 MPa

表3 混凝土物理熱學(xué)參數(shù)參考值

2.2 邊值條件

為了對(duì)大體積混凝土進(jìn)行水化熱仿真分析，需要知道結(jié)構(gòu)的邊值條件，邊值條件包括初始條件和邊界條件。初始條件為結(jié)構(gòu)內(nèi)部初始瞬間溫度場(chǎng)的分布，邊界條件為外部約束條件與對(duì)流邊界條件，根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)及施工條件進(jìn)行模擬分析。

2.2.1 對(duì)流邊界條件

承臺(tái)頂面擬采取保溫措施為：1層塑料薄膜+1層土工布+1層防雨布，其等效換熱系數(shù)取25 kJ/(m2·h·℃)；承臺(tái)側(cè)面擬采取保溫措施為：鋼模板+1 層土工布+1 層防雨布，其等效換熱系數(shù)取20 kJ/( m2·h·℃)。在實(shí)施過程中，承臺(tái)表面保溫措施可能需要根據(jù)實(shí)際的環(huán)境條件和溫度場(chǎng)實(shí)測(cè)情況，作適當(dāng)調(diào)整。

2.2.2 約束邊界條件

封底墊層底部采用固結(jié)。承臺(tái)按照先后澆筑施工順序，逐次激活，并考慮實(shí)際的齡期差進(jìn)行模擬計(jì)算。

2.2.3 承臺(tái)分層分塊條件

石首長江公路大橋主墩一級(jí)承臺(tái)厚7.0 m，采取3.0 m+4.0 m澆筑；二級(jí)承臺(tái)厚2.5 m，采取一次性澆筑。

承臺(tái)的有限元仿真計(jì)算模型和各層混凝土的施工過程模擬見圖2所示。有限元模型中由145 657個(gè)節(jié)點(diǎn)、135 240個(gè)單元組成。冷卻水管線路按照實(shí)際布置線路和位置模擬。各層混凝土的施工順序、間歇期、對(duì)流邊界等按照實(shí)際施工情況模擬。

(a) 封底混凝土施工

(b) 一級(jí)承臺(tái)第一層混凝土施工

(c) 一級(jí)承臺(tái)第二層混凝土施工

(d) 二級(jí)承臺(tái)混凝土施工圖2 主塔承臺(tái)混凝土澆筑施工步驟劃分

2.2.4 其他邊界條件

構(gòu)件尺寸：一級(jí)承臺(tái) 67.50 m×35.75 m×7.0 m；二級(jí)承臺(tái)(41.00～51.64) m×(18.00～23) m×2.5 m；

澆筑條件：根據(jù)實(shí)際施工條件，溫度為25 ℃；澆筑間隔期為7 d；；

冷卻水：江水，水溫20 ℃；水平管間距為100 cm，垂直管間距80～90 cm，距離混凝土表面/側(cè)面60～90 cm；混凝土升溫階段冷卻水流量為3 m3/h，進(jìn)水溫度控制為20 ℃；降溫階段流量為0.5 m3/h，進(jìn)水溫度控制為25～30 ℃。

3 仿真計(jì)算結(jié)果

3.1 溫度計(jì)算結(jié)果

在以上設(shè)定條件下，承臺(tái)內(nèi)部最高溫度及最大內(nèi)表溫差結(jié)果見表4，一級(jí)承臺(tái)第一層及第二層、二級(jí)承臺(tái)溫度時(shí)程如圖3所示(以第一層混凝土開始澆筑時(shí)刻為時(shí)間零點(diǎn))，相應(yīng)齡期溫 度場(chǎng)分布如圖4～圖6所示。

表4 承臺(tái)內(nèi)部最高溫度及最大內(nèi)表溫差

3.2 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

在以上設(shè)定條件下，主塔承臺(tái)溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表5，一級(jí)承臺(tái)第一層、一級(jí)第二層、二級(jí)承臺(tái)混凝土中心點(diǎn)、表面點(diǎn)相應(yīng)齡期應(yīng)力場(chǎng)分布見圖7～圖9。

表5 主塔承臺(tái)仿真計(jì)算結(jié)果

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1 溫度計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)仿真計(jì)算分析可知溫度場(chǎng)發(fā)展規(guī)律為：①先升后降，構(gòu)件中心溫度最高；②構(gòu)件約第3 d達(dá)到溫度峰值；③隨著內(nèi)部溫度升高，內(nèi)表溫差增大，之后逐漸降低。

一級(jí)承臺(tái)第一層、第二層、二級(jí)承臺(tái)溫峰及最大內(nèi)表溫差出現(xiàn)時(shí)間約為澆筑后第3 d，內(nèi)部最高溫度計(jì)算值符合JTGT F50-2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》“大體積混凝土內(nèi)部最高溫度不得高于75℃”、GB 50496-2009《大體積混凝土施工規(guī)范》“混凝土實(shí)際溫升不超過50℃”的規(guī)定。內(nèi)表溫差符合JTGT F50-2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》“大體積混凝土內(nèi)表溫差控制在25℃以內(nèi)”的規(guī)定。

(a) 一級(jí)承臺(tái)第一層中心、表面點(diǎn)溫度時(shí)程

(b) 一級(jí)承臺(tái)第二層中心、表面點(diǎn)溫度時(shí)程

(c) 二級(jí)承臺(tái)中心、表面點(diǎn)溫度時(shí)程圖3 一級(jí)承臺(tái)第一層及第二層、二級(jí)承臺(tái)溫度時(shí)程

(a) 3d溫度場(chǎng)(1/4承臺(tái) 單位：℃)

(b) 7d溫度場(chǎng)(1/4承臺(tái) 單位：℃)

(c) 28d溫度場(chǎng)(1/4承臺(tái) 單位：℃)圖4 一級(jí)承臺(tái)第一層混凝土溫度場(chǎng)分布

(a) 3d溫度場(chǎng)(1/4承臺(tái) 單位：℃)

(b) 7d溫度場(chǎng)(1/4承臺(tái) 單位：℃)

(c) 28d溫度場(chǎng)(1/4承臺(tái) 單位：℃)圖5 一級(jí)承臺(tái)第二層混凝土溫度場(chǎng)分布

(a) 3d溫度場(chǎng)(1/4承臺(tái) 單位：℃)

(b) 7d溫度場(chǎng)(1/4承臺(tái) 單位：℃)

(c) 28d溫度場(chǎng)(1/4承臺(tái) 單位：℃)圖6 二級(jí)承臺(tái)混凝土溫度場(chǎng)分布

(a) 3d應(yīng)力場(chǎng)(單位：MPa)

(b) 7d應(yīng)力場(chǎng)(單位：MPa)

(c) 28d應(yīng)力場(chǎng)(單位：MPa)圖7 一級(jí)承臺(tái)第一層混凝土應(yīng)力場(chǎng)分布

(a) 3d應(yīng)力場(chǎng)(單位：MPa)

(b) 7d應(yīng)力場(chǎng)(單位：MPa)

(c) 28d應(yīng)力場(chǎng)(單位：MPa)圖8 一級(jí)承臺(tái)第二層混凝土應(yīng)力場(chǎng)分布

(a) 3d應(yīng)力場(chǎng)(單位：MPa)

(b) 7d應(yīng)力場(chǎng)(單位：MPa)

(c) 28d應(yīng)力場(chǎng)(單位：MPa)圖9 二級(jí)承臺(tái)混凝土應(yīng)力場(chǎng)分布

3.3.2 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分析

應(yīng)力場(chǎng)發(fā)展規(guī)律為：①早期應(yīng)力集中于表面，主要由內(nèi)表溫差引起，早期需要注意內(nèi)表溫差的控制，并降低內(nèi)部最高溫度；②后期應(yīng)力集中于中心，由混凝土降溫和干縮引起，隨著齡期增長逐漸增大，后期需要注意養(yǎng)護(hù)減少干縮。

承臺(tái)各層不同齡期溫度應(yīng)力均小于同齡期的劈裂抗拉強(qiáng)度，各層的最小抗裂安全系數(shù)為1.59，具有抗裂能力，但還將加強(qiáng)以下措施：

(1)承臺(tái)3 d、7 d應(yīng)力發(fā)展較快，集中于構(gòu)件上表面、側(cè)面及角點(diǎn)處，加強(qiáng)并延長此部位的保溫保濕養(yǎng)護(hù)，進(jìn)一步提高早期的抗裂能力；

(2)承臺(tái)施工中后期，由于收縮產(chǎn)生的內(nèi)部拉應(yīng)力較大，同時(shí)第一層與封底交界處存在一定范圍的應(yīng)力集中，加強(qiáng)此部位的長期保溫保濕養(yǎng)護(hù)，防止后期約束累積開裂；

(3)計(jì)算澆筑間隔期為7 d，應(yīng)注意避免澆筑間隔期過長引起承臺(tái)約束過大，引起開裂。

4 結(jié)論

對(duì)石首長江大橋主墩103#墩承臺(tái)進(jìn)行大體積混凝土水化熱分析，通過大型有限元軟件進(jìn)行模擬分析，可以得到如下結(jié)論：

(1)承臺(tái)在澆筑過程中，中心溫度先升后降，在第3 d時(shí)達(dá)到峰值，且內(nèi)表溫差隨中心溫度變而變化；

(2)承臺(tái)在澆筑過程中，早期應(yīng)力由內(nèi)表溫差引起，集中于表面；由于混凝土收縮等因素影響，后期應(yīng)力集中于結(jié)構(gòu)中心，且隨齡期增長不斷增大；

(3)應(yīng)力仿真計(jì)算結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力安全系數(shù)較大，滿足相應(yīng)規(guī)范要求；

(4)在混凝土澆筑過程中，應(yīng)加強(qiáng)溫度監(jiān)控與應(yīng)力監(jiān)控，防止局部應(yīng)力過大導(dǎo)致混凝土開裂。

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劉濤，男，高級(jí)工程師，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)行為方面的研究工作。

TU755.6+7

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[定稿日期]2016-08-04