大体积拱座混凝土水化热温度有限元分析及裂缝控制

2017-10-10

福建质量管理 2017年15期

关键词：冷却水云图降温

(信阳学院土木工程学院河南信阳 464000)

王亮

(信阳学院土木工程学院河南信阳464000)

大体积拱座出现开裂的情况屡见不鲜，本文以大小井特大桥工程为依托，对大体积拱座混凝土水化热进行温度有限元分析，并提出有效的裂缝控制措施。

水化热;有限元分析;温度;裂缝

引言

大体积拱座混凝土在浇筑过程中，胶凝材料水化作用会释放出大量的水化热。普通混凝土的导热系数小，一般在8.39～12.56kJ/(m·h·℃)之间，热量在混凝土内部传导困难。水化后混凝土内部热量散失缓慢，外部热量散失快，造成混凝土内外温差过大，当温度产生的拉应力大于混凝土的抗拉强度时，容易引起混凝土开裂。为了防止产生裂缝，必须采取有效措施进行裂缝控制。本文以大小井特大桥工程项目为依托，采用大型有限元软件ANSYS 11.0对大体积拱座混凝土水化热进行温度有限元分析，并提出裂缝控制的一些有效措施。

一、依托工程背景

大小井特大桥位于贵州省平塘县境内，是余庆至安龙高速公路平塘至罗甸段的重要组成部分。主桥采用计算跨径450m的上承式钢管混凝土变截面桁架拱，拱轴线采用悬链线，拱轴线系数m=1.55，矢高f=100m，矢跨比f/L=1/4.5。两岸拱座均采用扩大基础。拱座尺寸为30m(长)×28.7m(宽)×20.649m(高)，基底呈台阶状。拱座采用C30 混凝土，两岸拱座采用分层浇筑的施工方法。

二、理论计算与仿真计算分析

(一)理论水化热计算

(二)仿真水化热计算

图1未设置冷却管拱座水化热温度云图

图2设置冷却管拱座水化热温度云图

拱座水化热采用ANSYS 11.0建模计算，混凝土模拟采用SOLID70单元，水管采用FLUID116单元。通过建模计算可知：未设置冷却水管时，混凝土水化过程中的最高温度为44.7℃，温度云图如图1所示；混凝土水化过程较长，水化过程中温度最高点处的温度变化规律如图a所示。与未设置冷却水管计算结果相比，设置冷却水管后混凝土最高温度可降低44.7℃-39.5℃=5.2℃，温度云图如图2所示；先升温后降温，温峰过后降温速度约为1℃/d，满足规范要求，温度最高点处的温度变化规律如图b所示。

图a最高温度点处的温度变化图

图b最高温度点处的温度变化图

有限元软件计算结果与理论计算结果有误差，但在允许范围内，说明模拟程序是正确的；同时也验证了布置冷却水管可以有效降低混凝土内部最高温度，减小内外温差，防止产生温度裂缝，温峰过后降温速度约为1℃/d降温速率适中，防止产生内部微裂纹，满足规范要求。

三、裂缝控制措施

(一)温度控制

采用低热胶凝材料，调整配合比，降低混凝土入模温度，布置冷却水管等措施都可以主动控制温升。在水化作用的升温阶段应加强内部散热，加大通水流量、降低通水温度。当混凝土处于降温阶段则需表面保温覆盖以减小降温速率，让混凝土慢慢冷却，直到温差达到允许范围，温度应力会在混凝土内部分松弛掉，可有效抑制有害裂缝的产生。

(二)分层浇筑和充分振捣

混凝土分层浇筑有利于散热，防止热量聚集在拱座内部。正确进行混凝土拌和物的振捣，振动棒垂直插入，缓慢拔出，保证下层在初凝前再进行一次振捣。振捣时插点均匀，成行或交错式前进，以免过振或漏振，避免用振捣棒横拖赶动混凝土拌和物，以免造成离下料口远处砂浆过多而开裂。

(三)养护控制

混凝土养护包括湿度和温度两个方面，为防止上表面混凝土因失水造成的干缩裂缝和温度收缩裂缝，待上表面混凝土初凝后可以采用冷却管出水口废水进行保湿养护，洒水后覆盖塑料薄膜或土工布，侧壁采用钢模板、透水模板布保温保湿养护。