基于Midas/Civil的大体积混凝土温度应力计算及其防裂技术措施

张春阁，丁 岩

（中交一航局第三工程有限公司，辽宁大连 116001）

广东省南澳大桥工程E34～E39承台尺寸为7.1 m×6.4 m×2.5 m，为大体积混凝土结构，混凝土设计强度等级为C35。承台封底混凝土厚0.2 m，混凝土强度等级为C15。由于水泥水化热温升将引起复杂的温度应力，不采取适宜的防裂技术措施，可能会导致结构开裂，影响结构的整体性和耐久性。为保证工程质量，必须验算承台结构的温度应力是否大于混凝土容许抗拉应力。该工程采用MIDAS/Civil软件对该承台结构水化热产生的温度场和温度应力进行计算，并基于计算结论，在施工中采取了防裂技术措施，取得了较好的效果。

1 有限元模型的建立

1.1 材料与环境热力学特性值

材料与环境热力学特征值见表1。

表1 材料与环境热力学特征值

1.2 承台有限元分析模型的建立

由于承台的对称特性，采用Midas/Civil有限元软件按承台和封底混凝土的实际尺寸建立承台有限元模型，承台模型如图1所示。

2 无冷却水管的承台混凝土温度场和温度应力仿真计算

2.1 温度场计算

2.1.1 水泥水化热

该承台所用水泥为42.5R普通硅酸盐水泥，水化热为3 d：270 kJ/kg；7 d：305 kJ/kg。

2.1.2 温度场计算

按照施工方案承台一次性浇筑施工。计算龄期为40 d，温度场计算结果如图2～图3所示。

由计算结果可知，承台在浇筑后第60 h结构中心温度达到最大值68.6℃，此时表面温度为40.5℃，此时的内外温差大于规范所允许的25℃。

2.2 温度应力计算

未埋冷却水管的混凝土内部温度应力计算结果如图4～图5所示。

由上述计算结果简要分析如下：

1）由图5可知，承台在浇筑完成后420 h左右中心点拉应力将大于容许拉应力，由此可能会使承台内部产生贯穿裂缝。

2）由图5可知，承台在浇筑完成后24 h左右结构表面拉应力将大于容许拉应力，由此可能会使承台产生表面裂缝。

产生裂缝的主要原因：一是水化热温升较高；二是当地平均大气温度较高；三是混凝土入模温度较高。由于以上原因造成混凝土结构内外温差太大，如不采取防裂措施，承台将可能出现裂缝[1-2]。

3 埋有冷却水管的承台温度场和温度应力仿真计算

为了减少承台裂缝的产生，提高结构的承载力和耐久性，承台采用埋设冷却水管的方法降低混凝土的内外温差[3]。

温度应力仿真计算的各项取值参数同上节，冷却水管可采用外径26 mm，壁厚2.5 mm的钢管。冷却水温取30℃，流量取1.2 m3/h。

冷却水管的埋设水平与竖直方向布置如图6所示。

3.1 温度场计算结果

与上节相似，承台仿真计算龄期仍为40 d，温度场计算结果如图7～图8所示。

由计算结果可知，承台在浇筑后第48 h结构中心温度达到最大值59.1℃，承台在浇筑后第24 h结构表面温度达到最大值42.2℃。内外最大温差为19℃，小于规范所允许的25℃。

3.2 温度应力计算结果

埋冷却水管的混凝土内部温度应力计算结果如图9～图10所示。

由上述计算结果简要分析如下：

由图10，承台结构中心点和表面点拉应力始终小于容许拉应力，因此承台混凝土结构不会产生温度裂缝。

4 承台冷却水管布置方案

4.1 承台冷却水管布置

根据上述温度应力场计算结果，即由图2～图5所示温度场计算结果可以看出，在没有冷却水管冷却作用的情况下，最高温度必然出现在承台的中心位置处，最低温度出现在外表面。针对此特点，本方案提出把冷却水管进水口放于中部，采用环形逐步向外流的冷却水管布置形式，这样可以更有效地降低中部混凝土的温度，同时可以使混凝土内部温度分布更加趋向均匀。由于承台尺寸较大、冷却水管长度过长，管内温度升高过多将会影响冷却水管沿线方向混凝土的冷却效果，因此在承台中间处设置两个进水口，分为两个循环以保证水管冷却的效率。

4.2 冷却水通水要求

通冷却水是保证混凝土温度降低的关键，因此必须控制好冷却水的各项参数。通过冷却水循环，降低混凝土内部温度，控制混凝土内外温差小于25℃，通过测温点测量，掌握内部各测点温度变化，以便及时调整冷却水的流量，来及时控制内外温差。用水泵抽水，保证冷却水口有足够的压力，流量控制在1.2 m3/h左右，进出水管的水温相差在5～10℃之间，通水冷却一般在收仓即可通水，通水时间为10～15 d，控制降温速度不大于1℃/d。承台从浇注至浇注完混凝土后，半月内需不间断通水，从出水口流出的水不宜立即循环使用，水压可根据天气和内部温升的情况适当调整，应将出水口水温尽量控制在40℃以下。

5 现场温度监控

现场采用海水冷却降温循环并采用温度计对承台进水口、出水口、承台表面进行温度跟踪测量，其中进水口温度始终保持在28℃左右，出水口温度在33~40℃之间。承台内部温度最高温度为52℃，承台表面最高温度34℃，内外温差18℃，与软件计算结果相近，并小于25℃规范要求。承台经7 d有水养护后，没有任何裂缝出现。

6 结语

1） 通过实例证明，采用Midas/Civil软件建立大体积混凝土水化热的有限元分析模型。其计算结果准确，能够正确动态模拟混凝土正常水化热和采取降温后水化热的发展状态。

2） 运用Midas/Civil软件对大体积混凝土水化热进行计算，与传统公式手算方法比较，其分析计算精度高，结果显示详细、直观。

[1] 王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京：建筑工业出版社，1997.

[2] 王铁梦，秦权，李永录.大体积现浇混凝土裂缝控制专家系统[J].工业建筑，1990，20（6）：37-43.

[3]黄建苹.浅谈大体积混凝土早期裂缝的控制[J].水电自动化与大坝监测，2003，8（4）：52-53.