基于有限元模擬現澆箱梁混凝土結構強度發展預測

盧家億 中交四航局第二工程有限公司

丁平祥 李凱 中交四航工程研究院有限公司

李偉偉 謝小明 張孫文 周友杰 中交四航局第二工程有限公司

榮烏高速為榮成到烏海段高速公路簡稱榮烏高速，是雄安新區“四縱三橫”外圍骨干高速公路網的重要組成部分，對雄安新區發揮首批交通強國建設試點先行示范作用具有重要意義。受工期影響該工程掛籃施工部分需貫穿整個河北冬期，華北地區冬期寒冷干燥，冬期施工不僅使人員配置、機械運行和生產效率受到影響，而且在嚴寒環境下，預應力現澆梁體混凝土由于受自身結構限制和特定施工工序影響，按以往經驗很難做到養護到位，混凝土極易產生早期受凍，導致其力學性能和耐久性能劣化，嚴重影響工程建造質量。研究表明，混凝土中膠凝材料的水化動力隨環境溫度將發生較大改變，混凝土的強度與養護齡期和溫度密切相關，一般認為混凝土強度是養護齡期和溫度乘積的函數，反映了混凝土中膠凝材料水化進程與溫度的數學公式，這就是常用的混凝土成熟度理論。成熟度理論可以用來推算不同溫度下混凝土強度發展狀況，但現場養護過程中會出現不同部位溫度不一致現象，若選取點位溫度不當會造成局部混凝土強度偏低卻無法監測出來，基于此，本文借助Midas FEA有限元模擬軟件，在前期大量監測數據基礎之上，來建立與實體較為接近模型，通過模擬大體積混凝土內部溫度場分布，明確溫度較低點，結合成熟度理論推算不同部位強度情況，以此指導項目順利施工。

1.成熟度理論及模型建立

1.1 基于成熟度理論的低溫混凝土強度發展規律

本文借助榮烏高速現澆箱梁混凝土結構所用冬期配合比開展了入模溫度、養護溫度同為5℃、10℃、20℃的相關試驗，并建立了成熟度與混凝土強度的理論計算公式，具體見表1，表2，表3及圖1。

表1 養護溫度與混凝土強度發展的關系表

表2 養護溫度與混凝土成熟度的關系表

其中：水泥為淶水金隅冀東環保科技有限公司P.O52.5普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為山東華能德州電力實業總公司提供的F類Ⅱ級粉煤灰；礦粉河北前進冶金科技有限公司提供的S95級粒化高爐礦渣粉；細集料為張家口福泰礦業有限公司采砂場生產Ⅱ區中砂；粗集料為淶水縣順合建材有限公司生產碎石；減水劑為蘇博特有限公司的聚羧酸高效減水劑。

圖1中F為抗壓強度，M為成熟度，由圖可知混凝土的強度與成熟度關系，見式（1）：

圖1 成熟度與混凝土強度的擬合公式

1.2 箱梁內部溫度場模擬

榮烏高速現澆箱梁采取掛籃施工工藝，為保證冬期順利施工，本工程采取模板電阻絲+巖棉，頂部覆蓋電熱毯，箱梁空腔內通蒸汽和熱風炮加熱，迎風面采取防風布覆蓋整個箱室保溫。本文前期針對現澆箱梁混凝土結構實體監測數據在反復摸索試驗、調整測溫點基礎之上，收集大量測溫數據，借助有限元模擬軟件推導出了0℃以上工況下現澆箱梁混凝土結構內部溫度場情況，并確定相關邊界參數取值，模擬見圖2；由圖分析可知：現澆箱梁溫度較低點為現澆箱梁端部及兩側翼板端部位置，為最為不利的結構部位，應重點加強觀測。

根據項目所在地歷年冬季溫度統計（最冷的1月平均溫度為-4.3℃），選取平均環境溫度為0℃、-5℃、-10℃三種工況，利用通過工程現場溫度監測數據修正的有限元數值模型，模擬環境溫度為0℃、-5℃、-10℃下現澆箱梁混凝土結構內部溫度場分布，并利用成熟度理論預測了箱梁溫度較低點部位的強度發展。

表3 配合比信息 單位：kg/m3

圖2 現澆箱梁溫度場模擬

2.不同工況下現澆箱梁溫度場及混凝土強度預測

2.1 環境溫度為0℃時箱梁溫度場的發展與混凝土強度預測

選取工況為環境溫度0 ℃，入模溫度20℃，電熱毯為加熱3d，端頭模板拆除時間為1.5d，模板加熱為5d。

（1）箱梁混凝土溫度場分布。針對箱梁內部溫度較低點，選取典型點位通過有限元數值模擬分析其溫度發展狀況，具體見圖3、圖4所示。選取點位為箱梁上部端面與空氣接觸點4、翼板側面端部點6、箱梁下部端面與空氣接觸點11及箱梁下部端面與舊混凝土接觸點13。

圖3 典型點位溫度圖

從圖3可知，箱梁溫度場分布較低部位為各端面處，特別是翼板側面端部為整個箱梁溫度較低處，溫度下降較快，應重點防護。

（2）混凝土強度預測。環境溫度0℃時所選取點位成熟度及強度如表4、表5所示；側邊緣強度發展較慢應是重點關注對象。

2.2 環境溫度為-5℃時箱梁溫度場發展與混凝土強度預測

選取工況為環境溫度-5℃，入模溫度20℃，電熱毯為加熱3d，端頭模板拆除時間為1.5d，模板加熱為5d。

（1）箱梁混凝土的溫度場。針對箱梁內部溫度較低點，選取典型點位通過有限元數值模擬分析其溫度發展狀況，具體見圖4。選取點位為箱梁上部端面與空氣接觸點4、翼板側面端部點6、箱梁下部端面與空氣接觸點11及箱梁下部端面與舊混凝土接觸點13。

從圖4可知，箱梁溫度場分布較低部位為各端面處，特別是翼板側端部為整個梁體溫度較低處，溫度下降較快，環境溫度為-5℃時翼板側端部2.5d左右已處于0℃以下，應重點防護。

（2）混凝土強度預測。環境溫度-5℃時所選取點位成熟度及強度如表6、表7所示；隨著環境溫度降低，從上表可看出現澆箱梁端部及側端部強度進一步降低。

2.3 環境溫度為-10℃時箱梁溫度場的發展與混凝土強度預測

選取工況為環境溫度0℃，入模溫度20℃，電熱毯為加熱3d，端頭模板拆除時間為1.5d，模板加熱為5d。

（1）箱梁混凝土溫度場分布。針對箱梁內部溫度較低點，選取典型點位通過有限元數值模擬分析其溫度發展狀況，具體見圖5；選取點位為箱梁上部端面與空氣接觸點4、翼板側面端部點6、箱梁下部端面與空氣接觸點11及箱梁下部端面與舊混凝土接觸點13。

從圖5可知，箱梁溫度場分布較低部位為各端面處，特別是翼板側端部為整個梁體溫度較低處，溫度下降較快，當環境溫度為-10℃時，澆筑2d左右翼板側端部已處于0℃以下，應重點防護。

（2）混凝土強度預測。環境溫度-10℃時所選取點位成熟度及強度如下表8、表9所示；隨著環境溫度變低，現澆箱梁端部及翼板端部強度隨之降低。

從表中所示成熟度、強度預測值可看出來，現澆箱梁端部及翼板端部混凝土強度為整個箱梁強度較低點，且隨著環境溫度降低，其強度隨之降低，應加強養護措施，特別是翼板處側端部，強度更低，應進行重點關注。

表4 箱梁典型部位混凝土的成熟度

表5 箱梁典型部位混凝土的預測強度值

圖4 典型點位溫度發展趨勢圖

表6 箱梁典型部位混凝土的成熟度

表7 箱梁典型部位混凝土的預測強度表

圖5 典型點位溫度圖

2.4 相關改善措施

從上模擬預測可知，現澆梁體端部及翼板側端部強度較低，特別是翼板側端部因其薄壁結構為整個梁體溫度最低部位。基于以上問題提出以下相關建議：

（1）針對現澆箱梁混凝土結構翼板側面端部溫升慢、強度低的問題，建議加強翼板端部的保溫加熱養護，可采取覆蓋棉被及內部預埋電阻絲加熱等方式，并應加強端部混凝土溫度的監測；

（2）根據仿真分析與強度預測結果，當環境溫度低于0℃時新澆筑箱梁混凝土結構端部0.4m范圍內混凝土強度較低，建議在環境溫度低于0℃時端部0.6m范圍內預埋電阻絲加熱養護，并通過試驗確定預埋電阻絲的合理間距。同時，應覆蓋棉被保溫或其他保溫措施等，并應加強該部位混凝土溫度的監測；另外，箱梁端部拆模鑿毛期間，應注意端部的保溫，宜邊鑿毛、邊封蓋保溫；

（3）加熱保溫措施對保證混凝土溫度、提高早期強度的意義重大，應嚴格遵循保溫加熱措施到位、保證加熱養護時間。

表8 箱梁典型部位混凝土的成熟度

表9 箱梁典型部位混凝土的預測強度表

3.結論

通過室內試驗5℃、10℃、20℃養護溫度為5℃、10℃、20℃，建立了混凝土強度與成熟度理論模型，通過現場驗證，該模型與現場混凝土養護強度相關性較強；

通過分析前期大量監測數據，通過有限元軟件推算出了混凝土內部溫度場分布情況，針對溫度較低點，推算出了不同工況下（0、-5、-10）混凝土強度值，并結合成熟度理論計算了其5d強度，發現隨著環境溫度降低，翼板邊緣、新舊混凝土交界處、迎風面部分位置強度較低；

針對翼板邊緣、新舊混凝土交界處、迎風面部分位置強度較低工程部位，提出了相應的改善措施，以期為類似項目提供指導。