安仁铺船闸边墩混凝土温度监测及有限元模拟分析

2015-07-12范洪浩邓春林赵利平张琴飞凌云欧阳伟郑星伟

水道港口 2015年3期

范洪浩，邓春林，赵利平，张琴飞，凌云，欧阳伟，郑星伟

（1.衢州市港航管理局，衢州324000；2.衢州市衢江航运开发工程项目建设指挥部，衢州324000；3.中交四航工程研究院有限公司，广州510230；4.长沙理工大学，长沙410114；5.浙江省第一水电建设集团股份有限公司，杭州310051；6.广州大学土木工程学院，广州510006）

范洪浩1，2，邓春林3，赵利平4，张琴飞2，凌云5，欧阳伟6，郑星伟2

船闸边墩属于大体积混凝土，施工前进行混凝土温度应力计算是控制裂缝的关键，而掌握混凝土内部温度随时间的变化是计算结构内部温度应力的前提。现场温度监测和有限元计算得到的混凝土内部的温度变化规律，监测数据验证了有限元计算的准确性，为类似工程通过有限元计算控制混凝土温度裂缝提供了技术支撑。

船闸；混凝土；温度；有限元

船闸混凝土温度裂缝问题已经受到业界的广泛关注［1-5］，但是船闸裂缝问题依然突出。衢州安仁铺船闸输水廊道边墩体积较大，单层浇筑厚度为3.5m，长边和短边尺寸为10.5m和9.5m，单块浇筑量接近200m3，混凝土强度等级为C25。边墩浇筑在厚度为3m、强度等级也为C25的混凝土底板上，边墩的构造示意图见图1所示［6］。大体积混凝土水化热与裂缝的控制息息相关，了解大体积混凝土内部的升温、降温情况是混凝土内部温度应力分析的前提。安仁铺船闸上闸首边墩混凝土浇筑前，在边墩中部截面由外向内、由下至上共埋设了11个温度传感器，在浇筑后0～45 d内，一般每隔2 h监测一次各点温度。同时采用MIDAS FEA软件计算了图1所示构造内部温度随时间的发展规律。实际监测结果与有限元计算的结果基本接近，并利用MIDAS软件计算结果进行后续部位混凝土温度裂缝控制。

图1 边墩示意图Fig.1 Sketch of side pier

1 边墩混凝土温度监测

安仁铺船闸上闸首边墩采用C25混凝土，水胶比0.44，胶凝材料用量350 kg/m3，水泥占80%，粉煤灰占20%。图1中网格部分尺寸是2.05m×4.5m×3.5m的混凝土块体，将块体沿边界剖开后见图2。图2六面体正面尺寸为2.05m×3.5m，六面体正面、右侧面为混凝土内部剖面，六面体左侧面、背面、顶面与大气接触，六面体底面为3m厚的C25混凝土底板。在正面由外向内埋设6个传感器，编号分别为D1～D6，D1距离混凝土表面5cm，各传感器间距为40cm，布置在同一水平高度。由上至下共埋设了6个温度传感器，编号分别为D6～D11，D11埋设于浇筑界面上5cm，D6～D11各传感器的高度差为30cm，各传感器在同一铅垂线上。混凝土浇筑后，每隔2h左右监测一次各点的温度数据。

表1 有限元计算参数Tab.1 Parameters for finite element calculation

将图2所示六面体模型进行网格划分和有限元计算计算，参数见表1所示，根据有限元计算得到边墩浇筑后0～45d内，整个六面体内部的温度分布云图，并截取了部分时间点和部分位置的计算温度数据，与实际监测数据进行对比。

图2 边墩传感器埋设图Fig.2 Temperature sensor embedded in side pier

图3 水平向温度分布Fig.3 Temperature distribution in horizontal direction

图4 中心温度与内表温差Fig.4 Center temperature and temperature difference between inside and surface

2 温度监测结果分析

水平向由内向外各点D1～D6及环境温度随时间的变化见图3所示。水平向的温度梯度反映的是混凝土内部与大气进行热交换的快慢程度，由于边墩混凝土体积量太大，内部的D4、D5、D6 3个测点在25 d时温度依然超过40℃，内部降温速率较慢。

图4是中心温度和内表温差随时间的发展情况，可以看出，内表温差在5～17 d内长期超过25℃，10 d左右甚至超过30℃，大大超过规范［8］规定的25℃的要求。中心点D6在3 d时温度达到71.4℃，3～10 d的降温速率为1.1℃/d，10～19 d降温速率为1.6℃/ d，19～30 d降温速率为0.9℃/d，30～45 d降温速率为0.3℃/d。降温速率满足规范要求的不大于2℃/d。需要说明的是，内表温差和降温速率往往是相互矛盾的指标，一般来说，构件的最小边尺寸越大，内表温差也越大，中心点的降温速率将越低；构件尺寸越小，内表温差一般也比较小，但是中心点的降温速率一般比较大，最小边尺寸1m左右的构件，中心降温速率可以达到6℃/d～7℃/d［9］。

中心点D6的温度从入模温度31℃升高至71.4℃，由于边墩体积较大，中心点D6的温度基本上可以认为是混凝土的绝热温升，达到40.4℃，中心点前80 h的升温实测数据见图5所示。根据相关标准给出的推荐计算公式，见式（1），m的取值与放热速率直接相关，m值取推荐的最大值0.5时，混凝土前80 h的绝热温升曲线见图5中的计算值。可以看出，规范给出的推荐计算公式所计算的放热速率比实际监测值要慢很多。

图5 中心点早期温度监测值与计算值Fig.5 Themonitoring value and calculated value

图6 竖向温度发展Fig.6 Temperature distribution in vertical direction

为获得公式（1）中合理的m取值，将不同的m值代入公式（1）中，计算了不同时刻的温度值，并与实际监测值进行对比，结果显示，m取1.4时，实际监测数值与理论计算数值较吻合，见图6所示。近年来，水泥的粉磨细度提高，水泥的水化放热速率显著提高可能是导致实际m值比规范推荐值显著增大的主要原因。

竖向的温度发展反映的是边墩混凝土与底板进行热交换的快慢程度，边墩浇筑时，底板已经浇筑2个月以上，底板内部温度与环境温度基本一致。从图7结果可以看出，竖向的温度梯度比水平向小很多，界面处监测点D11在浇筑0～20 d内，温度一直处于55～50℃之间，边墩混凝土在水化初期将较多热量传递给底板之后，浇筑界面处的温度在0～10 d内基本保持不变，10～20 d期间降温速率亦非常缓慢，仅为0.5℃/d。

边墩降温阶段，如果底板也能发生降温收缩，可在一定程度上降低边墩混凝土的降温收缩应力。边墩混凝土的水化热必然会导致底板混凝土温度的升高，但由于底板未埋设传感器，所以通过水平向温度传感器之间的温度差对底板的温升情况进行初步估计。根据D3～D6传感器的监测值，计算了不同温度下的温度梯度，换算成每米长度范围内的温度差，见图8所示。温度低于40℃时，每米温差为4℃～5℃，温度为50℃时，每米温差达到8℃左右，温度为60℃时，每米温差降低至6℃～7℃。根据界面处的温度推算，边墩混凝土浇筑后，边墩下部的底板上面1m范围内的混凝土温度可以从环境温度25℃左右升高到45℃～50℃。

目前相关标准［8］计算混凝土受外部约束时产生的拉应力，一般都考虑混凝土从最高温度降低至环境温度的总温差导致的收缩应力。由于底板在边墩混凝土水化时温度升高，发生了膨胀，底板后期的降温收缩可以释放一部分边墩混凝土的降温收缩应力，导致计算的拉应力往往偏大，这在目前的规范和相关资料中较少考虑。如图7中，20 d以后，中心温度与界面温度基本保持一致，即与底板上层1m左右混凝土基本接近，边墩混凝土这个阶段的降温收缩与底板降温收缩基本同步，降温收缩产生的拉应力较小。

图7 每米温度差Fig.7 Temperature difference of eachmeter

3 边墩混凝土有限元模拟结果分析

利用MIDAS FEA软件进行边墩混凝土内部温度梯度分布的有限元模拟，得到了边墩混凝土内部在0～45 d内的温度分布云图。为了对比监测数据和有限元模拟数据的符合程度，截取了10 d时的温度分布云图，以及表面点D1、中心点D6、浇筑界面点D11在该时刻的温度值。

据计算结果和监测结果，对比了表面点D1、中心点D6、浇筑界面点D11在各个时刻的温度值（表2）。表面点受气温影响较大，计算值与监测值的偏差稍大；内部点D6和界面点D11计算值与监测值的偏差基本小于1.2℃。可以说，有限元分析实现混凝土内部温度梯度精确模拟，为后续构件及类似工程施工过程中，通过有限元分析数据控制混凝土养护工艺提供了技术支撑。

表2 各点监测结果与计算结果对比Tab.2 Comparison ofmonitoring results and calculation results℃

4 结语

通过对船闸边墩施工期大体积混凝土内部温度变化的监测结果与有限元模型计算结果的分析比较，可以得出以下结论：（1）C25混凝土的绝热温升约为40.4℃，混凝土前3 d的升温速率比规范估算的温升速率大，国家标准中绝热温升计算公式推荐的m取值为0.3～0.5，而安仁铺船闸取值为1.4比较合理。（2）边墩混凝土水化热可以使底板混凝土温度升高20～25℃，20 d以后，边墩中心温度与水平界面处温度基本保持一致，边墩混凝土20 d后的降温收缩与底板降温收缩基本同步，降温收缩产生的拉应力较小。（3）有限元计算实现了边墩内部混凝土温度的精确模拟，计算值与监测值的偏差小于1.2℃。（4）边墩混凝土内部温升较大，温度降低速率较低，宜在边墩混凝土内部埋设冷却水管降温。

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［8］GB 50496-2009，大体积混凝土施工规范［S］.

［9］邓春林.广州市洲头咀隧道工程二标沉管（E3E4管节）混凝土配合比调整及温度应变研究［R］.广州∶中交四航工程研究院有限公司，2014.

Temperaturemonitoring and FEM analysis of side pier concrete of Anrenpu lock

FAN Hong⁃hao1,2,DENG Chun⁃lin3,ZHAO Li⁃ping4,ZHANG Qin⁃fei2,LING Yun5, OUYANG Wei6,ZHENG Xing⁃wei2
（1.Quzhou Port and Waterwaymanagement Bureau,Quzhou 324000,China;2.Qujiang shipping development project construction headquarters of Quzhou,Quzhou 324000,China;3.CCCC Fourth Harbor Engineering Institute Co.,LTD.,Guangzhou 510230,China;4.Changsha University of Science&Technology,Changsha 410114, China;5.Zhejiang Provincial No.1 Water Conservancy&Electric Power Construction Group Holdings Co.,Ltd., Hangzhou 310051,China;6.School of Civil Engineering,Guangzhou University,Guangzhou 510006,China）

Side pier of lock ismass concrete.Before the construction of the side pier,temperature stress calcu⁃lation is important for the crack control,and the internal temperature of concrete with time is of vital important to the calculation of temperature stress inside concrete.Through the comparison of in⁃situ temperaturemonitoring and finite calculation analysis of temperature inside the concrete,the accuracy of the finite element calculation is veri⁃fied by themonitoring data,and it is possible to control the temperature crack of concrete through the finite element calculation data.

lock;concrete;temperature;finite element

TV 33；U 641

1005-8443（2015）03-0244-04

2015-04-14；

2015-05-05

范洪浩（1981-），男，黑龙江五常人，工程师，从事内河航运开发建设管理工作。

Biography：FAN Hong⁃hao(1981-)，male，engineer.