基于MIDAS模型的锚碇大体积混凝土温度控制研究

李浩弘 王晋伟(兰州理工大学 甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室，甘肃 兰州 730050)

1 引 言

随着西部大开发的进一步深入，西部山区高速铁路、桥梁的建设发展，大锚碇桥梁结构在桥梁建设中得到了广泛的应用。为了满足大跨度桥梁结构承载力、刚度、稳定性等方面的要求，其锚碇构件往往具有较大的尺寸。据已有的实测资料表明，体积相对较大的锚碇，水泥在水化热过程中内部温度可高70℃以上。水泥的水化作用可引起混凝土内部温度迅速上升，但是混凝土的导热性较差，导致热量积聚在内部不易散失，使得大体积混凝土内外温差较大，从而导致大体积混凝土产生大面积温度裂缝[2]，影响结构的正常使用。随着大体积混凝土在大跨桥梁中的广泛应用，混凝土的水化热问题已成为当今建筑业不可避免的问题。

本文通过甘肃某特大桥工程进行大体积混凝土温度试验及现场监测，从有效控制内部温度出发，明确了大体积混凝土测温点设置的基本原则，并对大体积混凝土施工过程温度控制进行了研究，解决了大体积混凝土由于温度原因产生的大面积温度裂缝问题。

2 模型建立

2.1 工程概况

甘肃某黄河特大桥属于甘肃省重点工程，本工程为1536m单跨型钢桁加劲梁式悬索桥，引道工程包括大桥264米/2座(5-25m预应力混凝土连续箱梁)，小桥38.04米/1座(2-13m钢筋混凝土简支空心板)，以及部分路基填挖方工程和西锚碇附近的观景台土方开挖施工工程。

大桥东、西锚碇采用重力锚，锚体分锚块、散索鞍墩及基础、前锚室、后锚室四部分。其中锚块主要受预应力锚固系统传递的主缆索股拉力，散索鞍支墩主要承受由散索鞍传递的主缆压力，前锚室、散索鞍墩及锚块形成一个三角框架式空间受力构件。锚块体采用C40混凝土，其他均为普通C30混凝土。

2.2 计算模型

利用MIDAS/CIVIL对某黄河特大桥锚碇大体积混凝土在自然冷却下分层浇筑的温度场和应力场进行有限元仿真模拟。由于锚碇混凝土属于对称结构，本次模拟取A、B区1/2混凝土进行分析，同时考虑混凝土徐变收缩对混凝土应力的影响。根据本工程的浇筑方案，分层浇筑间歇时间为7天。具体节点单元总数见表2，单元网格模型如图1所示。

图1 混凝土有限元网格模型

2.3 计算分析

由图2仿真模拟结果表明，锚碇混凝土分层最高温度为等值线分布，同时温度的最大值一般出现在每层的中心位置。

表1 使用材料以及热学特性值

表2 节点单元数

图2 混凝土分层最高温度等直线图

3 温度、应力分析研究

混凝土防裂的关键是控制最大主拉应力。对于温度应力而言，最大主拉应力一般出现在上下层接触处，故取每层上表面中心点处的的温度和应力进行分析。由于大桥锚碇A区、B区存在差异，本次模拟对A区、B区进行分别研究。由于A区斜坡第一层浇筑量小、温度不高，故不考虑混凝土开裂的可能性，所以对斜坡第一层不进行温度应力分析；由图3(b)可知，B区锚碇的基础部分温度比锚块部分温度高，所以取基础部分进行温度应力分析。温度应力分析见图3。

(a) A区每层内部中心点温度历时曲线

(b) B区每层内部中心点温度历时曲线

(c) A区每层上表面中心点温度历时曲线

图3 每层中心点温度历时曲线

3.1 温度结果分析

通过对图3分析可知，每层混凝土浇筑完后40h左右内部中心点温度达到最大值，随后随混凝土表面热量的散发，混凝土温度慢慢下降。在对新一层混凝土浇筑后，由于新浇筑混凝土的水化作用，下部混凝土温度有回升现象，其中每层内部中心点的温度回升在3 ～5℃左右，影响不大。但对每层混凝土接触表面中心点的温度影响较大，使其回升在31℃左右。由表3可知，锚碇A区内部中心温度最高值为67.16℃，B区为68.01℃，当内部中心温度达到最大值时，内外温差超过了25℃，超过了《公路桥涵施工技术规范》中大体积混凝土内表温差不超过25℃的规定[3]。

3.2 应力结果分析

(a) A区每层内部中心点应力和容许

(b) B区每层内部中心点应力和容许抗拉强度历时曲线

(c) A区每层上表面中心点应力和容许抗拉强度历时曲线

表3 锚块内部中心和表面中心最高温度值

图4 中心点应力和容许抗拉强度历时曲线

由图4分析可知，应力会随着温度的变化而变化，最后随着时间的增加而趋于稳定。对于大部分混凝土浇筑层，当应力达到最大值时，超过了该层的容许抗拉强度，所以混凝土开裂的可能性非常大[4]。

4 结 语

根据MIDAS/CIVI模拟的结果得出在自然冷却下分层浇筑的施工过程中，最高温度出现的时间、位置、最高温度值及最大应力和相应的容许抗拉强度值。通过分析研究可知本工程采用间隔7天分层浇筑和自然冷却的方法无法满足大体积混凝土施工的抗裂要求，影响大体积混凝土的完整性及耐久性。所以在该工程实际的施工过程中应采用分层浇筑和水管冷却的方法控制大体积混凝土内部的温度。并根据模拟结果可知冷却水管布置位置及间距，为本次特大桥锚碇大体积混凝土的施工提供了理论指导。

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