基于MIDAS/FEA 的承臺大體積混凝土水化熱仿真分析及溫控研究

董福歧 黃國松

1.中國鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司 天津 300300；2.安徽省高等級公路工程有限公司 安徽合肥 230031

為了分析大體積混凝土施工中溫度應(yīng)力的變化規(guī)律，有效控制混凝土的內(nèi)外部溫差，本文以淠河總干渠渡槽主墩施工為工程背景，采用MIDAS/ FEA 對主墩進(jìn)行建模，進(jìn)行溫度應(yīng)力仿真計算，針對主墩大體積混凝土水化熱進(jìn)行分析，模擬計算出內(nèi)部結(jié)構(gòu)的溫度變化以及應(yīng)力分布情況，確定布置內(nèi)部冷卻管的必要性，同時提出合理的溫度控制措施以指導(dǎo)實際施工。

1 工程概況

本項目位于江淮分水嶺區(qū)域，是引江濟淮工程中的一部分。淠河總干渠穿過位于江淮分水嶺北側(cè)、向西北方向傾斜的標(biāo)段。承臺縱、橫向尺寸均為11.2 m，厚度為4.5 m，底部設(shè)置有9 根鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，采用矩形布置，樁徑2.0 m，長度均為35 m，按嵌巖樁設(shè)計。斷面形式為5 m×6 m 矩形墩，高12.65 m。首次澆筑6 m 厚，第二次澆筑6.65 m 厚，每次澆筑計劃6 h，澆筑180 m3，每小時30 m3，分層30～50 cm。

布置冷卻水管主要是為了降低大體積混凝土施工時每層混凝土中心溫度，防止內(nèi)層和表面的混凝土溫差過大產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂縫。

2 溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

（1）入模后的溫升值不大于50 ℃；

（2）里表溫差不大于25 ℃；

（3）降溫速率不宜大于2.0 ℃/ d；

（4）拆除保溫覆蓋時混凝土表面與大氣溫差不大于20 ℃。

3 應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)JTS202- 1- 2010《水運工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，抗裂安全系數(shù)越大，相應(yīng)的混凝土開裂的概率就越小。有關(guān)研究統(tǒng)計結(jié)果顯示，當(dāng)抗裂安全系數(shù)不小于1.4 時，開裂概率小于5%。

4 溫度應(yīng)力仿真計算

4.1 材料參數(shù)

C40 混凝土參數(shù)表見表1。

表1 C40 混凝土參數(shù)表

4.2 溫度參數(shù)

（1）最大絕熱溫升如下：

4.3 應(yīng)力參數(shù)

（1）混凝土內(nèi)部最大拉應(yīng)力如下：

fsp（t）——混凝土塊體達(dá)到穩(wěn)定溫度或準(zhǔn)穩(wěn)定溫度時劈裂抗拉強度試驗值，MPa。

4.4 模型建立

4.4.1 網(wǎng)格建立

通過MIDAS/ FEA 有限元軟件建立模型，使用實體單元。網(wǎng)格長度方向劃分單位為1 m，寬度方向劃分單位為1 m，高度方向劃分單位為1 m，并設(shè)置一層澆筑與二層澆筑2 個網(wǎng)格組。墊層高度劃分單位為1 m。

4.4.2 邊界條件設(shè)置

（1）邊界條件：底部設(shè)置豎向鉸支座，墊層側(cè)邊與環(huán)境接觸面設(shè)置鉸支座，中心處結(jié)點不能移動，設(shè)置三方向鉸支。

（2）對流邊界：墊層與承臺混凝土與外部環(huán)境的接觸面需設(shè)置對流條件，設(shè)置外部大氣溫度為10 ℃。

4.4.3 冷卻水管布置

冷卻水管采用直徑32 mm、壁厚2.5 mm 的鋼管，按蛇形布置。水平間距為1.0 m，豎向間距為1.0 m，冷卻管距混凝土邊緣約為0.5 m，距混凝土上、下表面1 m。進(jìn)水溫度20 ℃。在建立的模型中加入冷卻水管的布置。

4.5 結(jié)果與分析

4.5.1 溫度

混凝土澆筑的最高溫度等值線結(jié)果見圖1。

圖1 混凝土澆筑的最高溫度等值線結(jié)果

4.5.2 應(yīng)力混凝土澆筑的最大溫度應(yīng)力等值線結(jié)果見圖2。混凝土澆筑的溫度結(jié)果見表2。

圖2 混凝土澆筑的最大溫度應(yīng)力等值線結(jié)果

表2 混凝土澆筑的溫度結(jié)果

在上述給定的原材料溫度、大氣溫度、水溫等前提下，計算混凝土澆筑最大溫升等指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)符合溫度控制標(biāo)準(zhǔn)。

最大拉應(yīng)力小于C40 混凝土容許抗拉強度，抗裂安全系數(shù)均大于1.4，滿足要求。當(dāng)上述條件改變時，應(yīng)加強各溫控指標(biāo)監(jiān)測，加強對原材料的覆蓋和降溫、適時改變通水速率和冷卻水溫、加強表面養(yǎng)護(hù)以滿足溫控指標(biāo)要求。

5 水化熱溫控措施

5.1 混凝土質(zhì)量控制

（1）混凝土拌合物的坍落度應(yīng)不大于180 mm。

（2）采用水化熱低、儲存時間長的水泥，可以減少產(chǎn)生的水化熱。

（3）配置時選取強度高的碎石和砂，可以提高混凝土的耐久性。

5.2 混凝土澆筑養(yǎng)護(hù)控制

為了降低主墩混凝土內(nèi)部的最高溫度，采用豎向分層澆筑。塑料薄膜搭接需要超過20 cm，其上覆蓋保溫層，再在保溫層上覆蓋一層塑料薄膜，達(dá)到保溫、保濕及防雨的目的。混凝土水化升溫期間和降溫初期均不宜澆水養(yǎng)護(hù)，未散發(fā)的水分能夠充分保證混凝土中水泥的水化。保溫層主要起保溫作用，根據(jù)測試情況控制保溫層厚度，使混凝土處于良好的溫?zé)釛l件，進(jìn)行正常的水化硬化。

5.3 現(xiàn)場實時溫度檢測

為了保證混凝土澆筑過程中的溫度符合規(guī)范要求，進(jìn)行現(xiàn)場實時溫度檢測，監(jiān)測不同時間的各項溫控指標(biāo)是否符合溫度控制標(biāo)準(zhǔn)，保證施工正常進(jìn)行。

6 結(jié)論

在給定的溫度條件下，混凝土澆筑過程中的最大溫升、內(nèi)外溫差等指標(biāo)均符合溫度控制標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)部冷卻水管的布置效果明顯。內(nèi)部最大拉應(yīng)力小于C40 混凝土容許的抗拉強度，抗裂安全系數(shù)大于1.4，抗裂性能好。在布置冷卻水管的基礎(chǔ)上，從混凝土的質(zhì)量控制及澆筑養(yǎng)護(hù)控制等方面提出水化熱的溫控措施，以指導(dǎo)實際施工。