大体积混凝土水化热仿真分析

2017-01-09中铁建大桥工程局集团第一工程有限公司辽宁大连116033

四川建筑 2016年6期

刘涛(中铁建大桥工程局集团第一工程有限公司, 辽宁大连 116033)

大体积混凝土水化热仿真分析

刘涛
(中铁建大桥工程局集团第一工程有限公司, 辽宁大连 116033)

文章从大体积混凝土水化热效应对结构开裂的影响出发，分析了施工阶段大体积混凝土的温度场及温度应力分布规律。以石首长江大桥主墩承台为研究对象，根据混凝土材料特性、实际施工条件，利用大型有限元软件建立有限元模型进行仿真分析，研究在浇筑过程中混凝土的温度场及温度应力的分布规律。分析结果表明：各施工阶段结构温度应力安全系数较大，满足相应规范要求；承台在浇筑过程中，中心温度先升后降，在第3天时达到峰值，且内表温差随中心温度变而变化；承台早期应力由内表温差引起，集中于表面；由于混凝土收缩等因素影响，后期应力集中于结构中心，且随龄期增长不断增大。

大体积混凝土；施工阶段；温度；温度应力

随着我国基础设施的不断发展，大体积混凝土广泛应用于超大建筑、大坝及超大型桥梁等结构中，并成为主要受力部位。由于大体积混凝土结构的特殊性，结构尺寸较大，在浇筑过程中，混凝土产生大量的水化热，致使大体积混凝土内部温度迅速上升，与混凝土表面形成巨大的温差，产生温度拉应力，加之混凝土材料抗拉性能差、混凝土收缩受到外部(地基或结构)的约束，在大体积混凝土结构中产生贯穿裂缝，对结构的安全性与耐久性产生极大影响，故有必要对大体积混凝土进行水化热应力分析。

目前结构中对大体积混凝土没有具体的定义，但是相比普通混凝土结构，大体积混凝土具有体积大、水化热产生的温度应力大的特点，必须采取相关的技术及施工措施，合理处理水化热产生的温度应力、体积变形及混凝土裂缝的问题。

近年来，国内外学者对大体积混凝土水化热的研究较多。刘亮[1]从施工角度简述了大体积混凝土的施工方法及裂缝预防措施；江昔平和王社良等[2]指出了大体积混凝土温度裂缝产生的两个必要条件——温度和约束；龚剑和李宏伟[3]介绍了施工规范中大体积混凝土的相关内容及注意事项。

为进一步探讨大体积混凝土的结构特性，本文结合石首长江大桥主墩承台的浇筑情况，利用大型有限元软件建立有限元模型进行温度应力仿真分析，探索大体积混凝土水化热产生的温度应力分布及裂缝控制措施，具有重要的现实意义。

1 石首长江大桥主墩承台概况

石首长江公路大桥主桥为双塔单侧混合梁斜拉桥，主桥桥跨布置为(75×3+820+300+100) m，混凝土主梁和钢主梁均采用分离式双边箱的PK梁断面，索塔采用收腿的倒Y 型造型。主墩103#墩承台形状为圆端矩形，平面外轮廓尺寸67.5 m×35.75 m，一级承台厚7 m，二级承台厚2.5 m。

主墩一级承台及二级承台采用C40混凝土，封底垫层采用2.0 m厚的C20水下混凝土。一级承台分两层浇筑，第一层厚3 m，第二层厚4 m；二级承台一次浇筑完成，厚2.5 m。承台各层浇筑间歇期预定为7～10 d，受到施工条件的限制，实际浇筑间歇可能会有调整。承台示意如图1所示。

(a) 承台正视

(b) 承台俯视图1 承台示意(单位：cm)

2 水化热仿真分析

大体积混凝土水化热仿真分析包括温度分布分析与温度应力分析两个部分。温度分布分析计算获取大体积混凝土浇筑过程中产生的放热、对流及传导等引起的结构不同部分的温度变化；温度应力分析是根据温度变化所得的温度应力变化特性、混凝土的时变特性及结构施工步骤等，计算得出大体积混凝土结构在浇筑时的温度应力分布。仿真分析根据实际材料参数及结构实际边界条件进行分析。

2.1 混凝土材料特性

主墩103#墩承台混凝土设计强度等级为C40，一级承台分两层浇筑3 m+4 m，二级承台一次浇筑完成2.5 m，根据施工单位提供的资料，混凝土材料性能如下所示。

水泥：华新水泥PII42.5；

粉煤灰：F类II级；

磨细矿渣粉：密度不小于2.8 g/cm3，烧失量不大于3.0 %；比表面积370 m2/kg；

细集料：细度模数2.72；

粗集料：4.75～26.5 mm碎石(4.75～9.5 mm，9.5～19 mm，19～26.5 mm；

外加剂：聚羧酸高性能减水剂(缓凝型)，掺量为胶凝材料用量1.0 %；

水：长江江水。

承台C40混凝土配合比如表1所示。

参考相关工程资料，混凝土劈裂抗拉强度、物理热学参数取值如表2、表3所示。

表1 C40混凝土配合比

表2 C40混凝土劈裂抗拉强度参考值 MPa

表3 混凝土物理热学参数参考值

2.2 边值条件

为了对大体积混凝土进行水化热仿真分析，需要知道结构的边值条件，边值条件包括初始条件和边界条件。初始条件为结构内部初始瞬间温度场的分布，边界条件为外部约束条件与对流边界条件，根据实际结构及施工条件进行模拟分析。

2.2.1 对流边界条件

承台顶面拟采取保温措施为：1层塑料薄膜+1层土工布+1层防雨布，其等效换热系数取25 kJ/(m2·h·℃)；承台侧面拟采取保温措施为：钢模板+1 层土工布+1 层防雨布，其等效换热系数取20 kJ/( m2·h·℃)。在实施过程中，承台表面保温措施可能需要根据实际的环境条件和温度场实测情况，作适当调整。

2.2.2 约束边界条件

封底垫层底部采用固结。承台按照先后浇筑施工顺序，逐次激活，并考虑实际的龄期差进行模拟计算。

2.2.3 承台分层分块条件

石首长江公路大桥主墩一级承台厚7.0 m，采取3.0 m+4.0 m浇筑；二级承台厚2.5 m，采取一次性浇筑。

承台的有限元仿真计算模型和各层混凝土的施工过程模拟见图2所示。有限元模型中由145 657个节点、135 240个单元组成。冷却水管线路按照实际布置线路和位置模拟。各层混凝土的施工顺序、间歇期、对流边界等按照实际施工情况模拟。

(a) 封底混凝土施工

(b) 一级承台第一层混凝土施工

(d) 二级承台混凝土施工图2 主塔承台混凝土浇筑施工步骤划分

2.2.4 其他边界条件

构件尺寸：一级承台 67.50 m×35.75 m×7.0 m；二级承台(41.00～51.64) m×(18.00～23) m×2.5 m；

浇筑条件：根据实际施工条件，温度为25 ℃；浇筑间隔期为7 d；；

冷却水：江水，水温20 ℃；水平管间距为100 cm，垂直管间距80～90 cm，距离混凝土表面/侧面60～90 cm；混凝土升温阶段冷却水流量为3 m3/h，进水温度控制为20 ℃；降温阶段流量为0.5 m3/h，进水温度控制为25～30 ℃。

3 仿真计算结果

3.1 温度计算结果

在以上设定条件下，承台内部最高温度及最大内表温差结果见表4，一级承台第一层及第二层、二级承台温度时程如图3所示(以第一层混凝土开始浇筑时刻为时间零点)，相应龄期温度场分布如图4～图6所示。

表4 承台内部最高温度及最大内表温差

3.2 应力计算结果

在以上设定条件下，主塔承台温度应力计算结果见表5，一级承台第一层、一级第二层、二级承台混凝土中心点、表面点相应龄期应力场分布见图7～图9。

表5 主塔承台仿真计算结果

3.3 计算结果分析

3.3.1 温度计算结果分析

根据仿真计算分析可知温度场发展规律为：①先升后降，构件中心温度最高；②构件约第3 d达到温度峰值；③随着内部温度升高，内表温差增大，之后逐渐降低。

一级承台第一层、第二层、二级承台温峰及最大内表温差出现时间约为浇筑后第3 d，内部最高温度计算值符合JTGT F50-2011《公路桥涵施工技术规范》“大体积混凝土内部最高温度不得高于75℃”、GB 50496-2009《大体积混凝土施工规范》“混凝土实际温升不超过50℃”的规定。内表温差符合JTGT F50-2011《公路桥涵施工技术规范》“大体积混凝土内表温差控制在25℃以内”的规定。