承台大体积混凝土水化热数值模拟

2019-07-19秦鸿佩

四川建筑 2019年3期

冯练，秦鸿佩

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

关于大体积混凝土的定义，GB50496-2009《大体积混凝土施工规范》规定：实体最小几何尺寸不小于1m的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土称为大体积混凝土[1]。大体积混凝土构件由于体积较大，所以其浇筑时因水化热而产生的热量不能及时散发到空气中，以致构件内部温度不断增大，造成内部与表面的温度产生差异，从而在内部形成压应力，而表面形成拉应力。一旦这种温度差异过大，就会导致混凝土表面的温度拉应力超过本身的容许抗拉强度，从而在结构表面出现裂缝，影响混凝土构件的承载能力和耐久性。

针对大体积混凝土的水化热特点，很多学者研究了其温度应力的发展规律和控制措施。刘睫等[2]以云南懦扎渡水电站大坝心墙区垫层大体积混凝土为背景，对其水化热过程进行了有限元分析，并通过布置管冷降低内表温差，避免温度应力对混凝土构件产生不利影响。陈宇[3]在分析公安长江公铁两用特大斜拉桥的S004#承台的温度分布规律的基础上，研究了冷却水温度、管距、流量以及水泥品种和用量等多种因素对大体积混凝土水化热的影响。

本文通过模拟某公路桥梁主墩承台的浇筑过程，分析大体积混凝土水化热产生的温度及温度应力，并以此指导实际施工，也为其他大体积混凝土的施工提供参考。

1 工程实例

某公路桥梁为三跨连续梁桥，主墩承台平面为矩形，其轮廓尺寸为12.4m×9.6m，厚度为4m，混凝土强度等级为C30。施工过程中，采用分层浇筑的方法，每层厚度为2m，第一层与第二层混凝土的浇筑间隔时间为7d。

2 水化热数值模拟

分析大体积混凝土的水化热效应，主要涉及到温度场分析和温度应力分析。温度场分析主要计算混凝土浇筑过程中，水化热产生的热量导致的结构各部分温度的变化；温度应力分析受温度场的影响，由于不同部分的温度不同，导致混凝土构件在不同部分产生相应的温度应力。对大体积混凝土施工过程进行数值模拟，就是根据实际材料的物理性能和热力学性能，以及实际的对流条件和有关养护措施等，模拟其施工过程，计算其温度场分布和温度应力分布情况。

2.1 混凝土材料特性

承台施工所用的混凝土配合比如表1所示。结合水泥水化热试验和计算以及相关的数据资料，得到承台和地基对应的材料热力学参数，有关参数的数值参见表2。

表1 承台混凝土施工配合比 kg/m3

表2 材料的热力学参数

2.2 对流边界条件

施工使用厚度为2cm的木模板，混凝土成型后在其顶面铺厚度为4cm的草袋进行保温养护。根据有关资料中提供的木模板和草袋的导热系数，求得木模板的对流系数为25.6kJ/(m2·h·℃)，草袋的对流系数为10.9kJ/(m2·h·℃)。

2.3 模型建立

在有限元软件中，采用八节点六面体单元进行模型的建立[4]。实际建模中，忽略了桩基与承台之间的热交换，而只考虑地基对混凝土水化热的传播作用，以此进行简化。对于地基的模拟尺寸，取其长和宽在每侧均超出承台边界2m，厚度为3m。承台分两次浇筑，在定义施工阶段时，按实际施工逐层激活，第一层与第二层施工间隔期为7d。最终建立的模型中包含8 596个节点和8 488个单元，实际模型参见图1。冷却水管选用φ60mm×4mm的无缝钢管，分三层布置，相邻两层的路线相互垂直，层间间距和水平间距均为1m，管冷布置示意图如图2所示。待第一层混凝土浇筑后，在第一层钢管中通冷却水，待第二层混凝土浇筑后，在第二、三层钢管中通冷却水，并设置其温度为20 ℃，流量为2m3/h,通水时间为10d。

图1 模型示意

(a)第一、三层管冷布置示意

(b)第二层管冷布置示意图2 管冷布置示意

2.4 计算分析结果

2.4.1 温度场分析

为了研究水化热效应的温度分布规律，在承台的中心和表面分别取代表测点分析其温度随时间的变化规律，模拟测点的选取参见图3。

图3 模拟测点布置示意

根据模型计算得到的温度最高时的结果以及对应混凝土强度发展的代表性时间点，提取各层混凝土浇筑完成后的3d、4d、7d和28d的温度云图(图4)。同时将各模拟测点的温度变化情况绘制成图5所示的温度历程。

图4表明，混凝土内部管冷中心位置温度较周围区域温度更低。并且，随着离管冷中心的距离增大，温度逐渐升高，这说明离冷却水管越近的地方，管冷对其的降温效果越强。管冷通水结束后，承台的温度分布呈中心到表面逐渐降低的规律。总体上看，混凝土内部温度较表面温度高，且最高温度出现在11d(即第二层混凝土浇筑完成后4d)时，其值为41.07 ℃。与最低温度相减求得最大内表温差为21.07 ℃，低于GB50496-2009《大体积混凝土施工规范》所要求的“内表温差不能超过25 ℃”的规定。

图5(a)中，测点1～3的温度变化曲线在降温段较测点1～1和测点1～2的速率更慢，其原因为测点1～3离构件表面相对较远，所以与空气的热传递效果不明显。从图5各温度历程图可以看出，各测点温度数值虽有差异，但总体趋势一致，均为先升后降，且升温速率较降温速率高。

2.4.2 温度应力分析

通过分析承台浇筑后温度达到最高时的应力云图，可知拉应力较大区域主要分布在承台侧面中部偏下的位置和顶面四条棱的中部，为此主要研究图6所标注的测点的应力变化规律，并与其对应各时期的容许抗拉强度进行对比。将各测点的应力和容许抗拉强度变化曲线绘制于同一坐标系中(图7)。

图7表明，温度应力的变化规律与温度变化规律相似，均是先升高后缓慢降低，说明温度应力的变化与温度变化是同步的。通过对比各图中的温度应力和容许抗拉强度曲线可知，承台浇筑过程中，较大拉应力位置处的实际应力均低于各时期对应的混凝土容许抗拉强度，因而温度应力不会导致承台出现裂缝。图7(a)、图7(d)中，测点实际的温度应力出现了两次较大幅度地增长，这是因为第二层混凝土浇筑后，其水化热产生的热量会影响第一层混凝土的温度场，从而促使第一层混凝土的温度应力有较大幅度地增长。