大体积混凝土温度应力仿真分析及防裂措施

樊士广，王宇，王新刚

（中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

港珠澳大桥西人工岛暗埋段为大体积混凝土结构，具有结构形式复杂，混凝土一次浇筑方量大等特点。大体积混凝土容易开裂[1]，因此在施工前必须对混凝土的温度应力进行详细分析计算，这对于提高工程质量具有重要意义。由于水泥水化过程中，系统的温度、生热率、热流率、热边界条件等随时间都有明显变化，因此，采用传统的热传导理论求解这种瞬态温度场是非常困难的。本文结合暗埋段CW4，应用有限元软件Midas/Civil[2]，按照混凝土的施工过程进行温度应力仿真分析，并根据分析计算结果制定相应的防裂技术措施。

1 暗埋段CW4有限元模型的建立

1.1 计算参数的取值

暗埋段采用C50混凝土，混凝土配合比如表1所列。根据混凝土配合比的水泥用量和掺合料1、掺合料2的用量，掺合料水化热折减系数取0.8，折算后水泥用量当量值为382.8 kg。水泥用PⅡ水泥，3 d水泥水化热按经验值取222 kJ/kg，仿真分析计算参数如表2所示。

1.2 有限元仿真分析模型的建立

CW4分4次进行浇筑，第1次浇筑底板整体、第2次浇筑外侧两道中隔墙、第3次浇筑内侧两道中隔墙、第4次浇筑侧墙和顶板。CW4为对称结构，因此仿真计算只需计算其1/2即可。根据CW4的实际断面尺寸及施工组织设计的分步浇筑建立有限元模型如图1所示。

表1 C50混凝土配合比Table1 C50 concrete mixtureratio

表2 计算参数的取值Table 2 Calculated valuesof the parameters

图1 CW4-1分步浇筑有限元模型（1/2模型）Fig.1 Finite element model of CW4-1 step by step casting model(1/2)

2 温度场和温度应力仿真分析结果

2.1 CW4温度场

CW4仿真分析时长为40 d，侧墙顶板浇筑完成36 h温度场如图2所示。CW4混凝土内部最高温度随时间变化规律如图3所示，混凝土内部最高温度为75.6℃。

图2 CW4温度场分布Fig.2 CW4 temperature field distribution

图3 CW4混凝土内部最高温度随时间变化图Fig.3 CW4 concrete internal maximum temperature changes with time

2.2 CW4应力场

CW4侧墙顶板浇筑完成20 d侧墙应力场（侧墙长度方向）如图4所示。混凝土表面应力随时间变化规律如图5所示，混凝土表面应力超过了容许应力，侧墙将产生竖向裂缝，图4中左侧深色圆弧区是将要产生竖向裂缝的区域。

图4 CW4应力场分布Fig.4 CW4 stressdistribution

图5 CW4混凝土表面应力随时间变化图Fig.5 CW4 concretesurfacestresschanges with time

3 防裂技术措施

3.1 CW4裂缝产生原因分析

CW4底板于2013年10月浇筑完成，侧墙顶板于2014年1月浇筑完成，时间间隔近3个月。由于底板混凝土收缩已大部分完成，而新浇筑的侧墙混凝土收缩才刚刚开始，施工缝上下层混凝土间的嵌固作用将阻碍上层混凝土自由伸缩，随着龄期的增长，混凝土应变能达到某一极限时，将会发生能量的释放，从而导致混凝土开裂，这与上节的温度应力分析结果相符合。

3.2 防裂技术措施

侧墙产生裂缝的主要原因是施工缝上下层混凝土收缩的不同步。因此，防裂技术措施主要考虑减小后浇筑混凝土的收缩，来达到防裂的目的。后浇筑混凝土的收缩主要包括两部分：一是混凝土的降温收缩；二是混凝土的自生收缩。

3.2.1 针对混凝土降温收缩的防裂技术措施

1）降低混凝土的浇筑温度

①降低拌和水温度

在拌和站通过设置1台冷却水装置，一座冰库，确保拌和用水温度控制在5℃以下，并加56 kg冰屑来代替一部分冷却水。

②控制原材料温度

为保证混凝土原材料温度尽可能降低，在原材料到达现场后，在船上搁置一段时间，让原材料温度充分降低后再卸船。

分别在砂石料仓及料斗上方设置了遮荫棚，防止阳光直射砂石料，并且在混凝土浇筑前，对原材料温度进行检测。

根据现场实际情况在粉料罐上设置了环形冷却水管，通过对粉料罐淋水的方法降低粉料温度。

混凝土浇筑时间选择在夜间10时左右开始。

2） 布置冷却水管

在侧墙和顶板厚度一半位置布置冷却水管，间距0.8 m。冷却水管采用外径40 mm、壁厚2～3 mm的输水黑铁管，冷却水管累计长度不宜大于200 m，水管长度每超过200 m应增设1组进水口和出水口，组成另外一个冷却水管循环。

3） 延长初凝时间

适当使用缓凝剂，延长初凝时间。

3.2.2 针对混凝土自身收缩的防裂技术措施

混凝土收缩受环境相对湿度影响显著，环境相对湿度越低，干缩值越大。混凝土浇筑完成后必须对混凝土进行充分保湿养护。侧墙拆模后立即覆盖二层密封的复合土工布（带一层塑料薄膜），进行密封保温保湿养护，养护时间不少于14 d。

3.2.3 提高混凝土抗裂性能技术措施

1） 改进搅拌工艺

采用二次投料的砂浆裹石搅拌新工艺[3]。在搅拌混凝土时，改变以往的投料程序，投料顺序为：先向搅拌机中依次投入砂、70%的水以及外加剂、水泥、粉煤灰、矿粉，拌和后，然后投放石子，最后再加入剩余30%的水进行搅拌。这种搅拌工艺的主要优点是减小泌水现象，混凝土上下层强度差减少，可有效地防止水分向石子与水泥砂浆面的集中，从而使硬化后的界面过渡层的结构致密、黏结性加强，也提高了混凝土的抗拉强度和极限拉伸值。

2）对浇筑后的混凝土进行二次振捣

二次振捣能排除混凝土因泌水在粗骨料、水平钢筋下部生成的水分和空隙，提高混凝土与钢筋的握裹力，防止因混凝土沉落而出现的裂缝，减少内部微裂缝，增加混凝土密实度，使混凝土抗拉强度提高10%～20%左右，从而提高抗裂性。

3.2.4 减小各层混凝土浇筑龄期差

尽量缩短分次浇筑时间间隔。工程实践表明，两次浇筑混凝土间隔时间越短，避免龄期差产生裂缝的几率越高。试验数据表明，混凝土在前10 d收缩百分比完成约5%～25%，28 d完成约20%～50%，90 d完成约40%～78%。分次浇筑间隔时间应控制在5 d之内，困难时应在10 d之内。

4 结语

通过应用有限元方法能够对大体积混凝土施工过程进行温度应力仿真分析，根据仿真分析结果制定有针对性的防裂技术措施，对港珠澳大桥西人工岛暗埋段大体积混凝土结构取得了较好的控裂效果，对提高工程质量有重要意义。