懸索橋隧道式錨定結構大體積混凝土施工溫度應力分析

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設施工程建設中，如大型橋梁墩臺、大型建筑物基礎以及水利大壩等[1]。近年來，工程建設規模越來越大，施工進度越來越快，大體積混凝土施工中出現的裂縫問題也日益增多[2]。隨著計算機技術的發展，對大體積混凝土施工進行數值模擬已經成為一種重要手段。周世康等[3]對隧道錨塞體大體積混凝土溫度場作了監測與數值分析；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構單獨建模進行分析，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、抗風式3類錨碇結構，東西兩側交叉布置；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力分析

2.1 建立模型

采用Midas FEA 建立整體結構模型。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生的熱量將通過接觸面導向巖體，見圖1。

圖1 巖體網格劃分

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，可以實現對不規則實體模型的建模。應當注意的是，隧道錨混凝土外表面應當與巖體內表面共面；否則在之后的自動網格劃分中將無法實現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，導致模型不能反映實際工程情況。錨固體網絡劃分見圖2。

圖2 錨固體網格劃分

2.2 參數輸入

2.2.1 參數

程序計算中所需用到的參數見表1。

表1 計算參數

2.2.2 邊界條件

共設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，調用已定義的對流函數，見圖3。

圖3 對流邊界

2）約束條件。對巖體四周設置固定約束，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，選取所有節點并調用已定義好的熱源函數，見圖6。

圖6 熱源設置

3 模擬結果

3.1 規范要求

3.1.1 溫度要求

混凝土澆筑體在入模溫度基礎上的溫升值≯50℃，里表溫差(不含混凝土收縮的當量溫度)≯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 應力要求

最大拉應力應小于軸心抗拉強度設計值。

3.2 結果分析

3.2.1 溫度分析

澆筑混凝土時，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 ℃，滿足規范要求。

3.2.2 應力分析

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

圖13 各施工階段應力分布

由圖13 可知，在各施工階段中，有97.6%的點的最大應力＜1.38 MPa，滿足規范要求。

4 結論

通過運用Midas FEA，建立大體積混凝土實體模型。經計算，混凝土溫度與應力指標均能滿足規范要求。冷凝管應嚴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。施工過程中應嚴格監控混凝土內部及表面的溫度變化并做好覆蓋保護措施。如果發現實測溫度變化曲線與模型仿真曲線有較大差異，應立即停止施工，分析原因，找到解決方法后，按照相關規定，再次組織施工。

本論文重點關注對大體積混凝土的數值仿真分析，沒有對實測數據進行研究。未來將對施工測量數據進行深入研究，把實測數據與數值分析結果進行對比分析。□■