承臺大體積混凝土水化熱數值模擬

2019-07-19 10:00:48秦鴻佩

四川建筑 2019年3期

馮練，秦鴻佩

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

關于大體積混凝土的定義，GB50496-2009《大體積混凝土施工規范》規定：實體最小幾何尺寸不小于1m的大體量混凝土，或預計會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導致有害裂縫產生的混凝土稱為大體積混凝土[1]。大體積混凝土構件由于體積較大，所以其澆筑時因水化熱而產生的熱量不能及時散發到空氣中，以致構件內部溫度不斷增大，造成內部與表面的溫度產生差異，從而在內部形成壓應力，而表面形成拉應力。一旦這種溫度差異過大，就會導致混凝土表面的溫度拉應力超過本身的容許抗拉強度，從而在結構表面出現裂縫，影響混凝土構件的承載能力和耐久性。

針對大體積混凝土的水化熱特點，很多學者研究了其溫度應力的發展規律和控制措施。劉睫等[2]以云南懦扎渡水電站大壩心墻區墊層大體積混凝土為背景，對其水化熱過程進行了有限元分析，并通過布置管冷降低內表溫差，避免溫度應力對混凝土構件產生不利影響。陳宇[3]在分析公安長江公鐵兩用特大斜拉橋的S004#承臺的溫度分布規律的基礎上，研究了冷卻水溫度、管距、流量以及水泥品種和用量等多種因素對大體積混凝土水化熱的影響。

本文通過模擬某公路橋梁主墩承臺的澆筑過程，分析大體積混凝土水化熱產生的溫度及溫度應力，并以此指導實際施工，也為其他大體積混凝土的施工提供參考。

1 工程實例

某公路橋梁為三跨連續梁橋，主墩承臺平面為矩形，其輪廓尺寸為12.4m×9.6m，厚度為4m，混凝土強度等級為C30。施工過程中，采用分層澆筑的方法，每層厚度為2m，第一層與第二層混凝土的澆筑間隔時間為7d。

2 水化熱數值模擬

分析大體積混凝土的水化熱效應，主要涉及到溫度場分析和溫度應力分析。溫度場分析主要計算混凝土澆筑過程中，水化熱產生的熱量導致的結構各部分溫度的變化；溫度應力分析受溫度場的影響，由于不同部分的溫度不同，導致混凝土構件在不同部分產生相應的溫度應力。對大體積混凝土施工過程進行數值模擬，就是根據實際材料的物理性能和熱力學性能，以及實際的對流條件和有關養護措施等，模擬其施工過程，計算其溫度場分布和溫度應力分布情況。

2.1 混凝土材料特性

承臺施工所用的混凝土配合比如表1所示。結合水泥水化熱試驗和計算以及相關的數據資料，得到承臺和地基對應的材料熱力學參數，有關參數的數值參見表2。

表1 承臺混凝土施工配合比 kg/m3

表2 材料的熱力學參數

2.2 對流邊界條件

施工使用厚度為2cm的木模板，混凝土成型后在其頂面鋪厚度為4cm的草袋進行保溫養護。根據有關資料中提供的木模板和草袋的導熱系數，求得木模板的對流系數為25.6kJ/(m2·h·℃)，草袋的對流系數為10.9kJ/(m2·h·℃)。

2.3 模型建立

在有限元軟件中，采用八節點六面體單元進行模型的建立[4]。實際建模中，忽略了樁基與承臺之間的熱交換，而只考慮地基對混凝土水化熱的傳播作用，以此進行簡化。對于地基的模擬尺寸，取其長和寬在每側均超出承臺邊界2m，厚度為3m。承臺分兩次澆筑，在定義施工階段時，按實際施工逐層激活，第一層與第二層施工間隔期為7d。最終建立的模型中包含8 596個節點和8 488個單元，實際模型參見圖1。冷卻水管選用φ60mm×4mm的無縫鋼管，分三層布置，相鄰兩層的路線相互垂直，層間間距和水平間距均為1m，管冷布置示意圖如圖2所示。待第一層混凝土澆筑后，在第一層鋼管中通冷卻水，待第二層混凝土澆筑后，在第二、三層鋼管中通冷卻水，并設置其溫度為20 ℃，流量為2m3/h,通水時間為10d。

圖1 模型示意

(a)第一、三層管冷布置示意

(b)第二層管冷布置示意圖2 管冷布置示意

2.4 計算分析結果

2.4.1 溫度場分析

為了研究水化熱效應的溫度分布規律，在承臺的中心和表面分別取代表測點分析其溫度隨時間的變化規律，模擬測點的選取參見圖3。

圖3 模擬測點布置示意

根據模型計算得到的溫度最高時的結果以及對應混凝土強度發展的代表性時間點，提取各層混凝土澆筑完成后的3d、4d、7d和28d的溫度云圖(圖4)。同時將各模擬測點的溫度變化情況繪制成圖5所示的溫度歷程。

圖4表明，混凝土內部管冷中心位置溫度較周圍區域溫度更低。并且，隨著離管冷中心的距離增大，溫度逐漸升高，這說明離冷卻水管越近的地方，管冷對其的降溫效果越強。管冷通水結束后，承臺的溫度分布呈中心到表面逐漸降低的規律。總體上看，混凝土內部溫度較表面溫度高，且最高溫度出現在11d(即第二層混凝土澆筑完成后4d)時，其值為41.07 ℃。與最低溫度相減求得最大內表溫差為21.07 ℃，低于GB50496-2009《大體積混凝土施工規范》所要求的“內表溫差不能超過25 ℃”的規定。

圖5(a)中，測點1～3的溫度變化曲線在降溫段較測點1～1和測點1～2的速率更慢，其原因為測點1～3離構件表面相對較遠，所以與空氣的熱傳遞效果不明顯。從圖5各溫度歷程圖可以看出，各測點溫度數值雖有差異，但總體趨勢一致，均為先升后降，且升溫速率較降溫速率高。

2.4.2 溫度應力分析

通過分析承臺澆筑后溫度達到最高時的應力云圖，可知拉應力較大區域主要分布在承臺側面中部偏下的位置和頂面四條棱的中部，為此主要研究圖6所標注的測點的應力變化規律，并與其對應各時期的容許抗拉強度進行對比。將各測點的應力和容許抗拉強度變化曲線繪制于同一坐標系中(圖7)。

圖7表明，溫度應力的變化規律與溫度變化規律相似，均是先升高后緩慢降低，說明溫度應力的變化與溫度變化是同步的。通過對比各圖中的溫度應力和容許抗拉強度曲線可知，承臺澆筑過程中，較大拉應力位置處的實際應力均低于各時期對應的混凝土容許抗拉強度，因而溫度應力不會導致承臺出現裂縫。圖7(a)、圖7(d)中，測點實際的溫度應力出現了兩次較大幅度地增長，這是因為第二層混凝土澆筑后，其水化熱產生的熱量會影響第一層混凝土的溫度場，從而促使第一層混凝土的溫度應力有較大幅度地增長。