基于MIDAS/FEA 的承台大体积混凝土水化热仿真分析及温控研究

2022-01-17董福歧黄国松

石油化工建设 2021年6期

董福歧黄国松

1.中国铁建大桥工程局集团有限公司天津 300300；2.安徽省高等级公路工程有限公司安徽合肥 230031

为了分析大体积混凝土施工中温度应力的变化规律，有效控制混凝土的内外部温差，本文以淠河总干渠渡槽主墩施工为工程背景，采用MIDAS/ FEA 对主墩进行建模，进行温度应力仿真计算，针对主墩大体积混凝土水化热进行分析，模拟计算出内部结构的温度变化以及应力分布情况，确定布置内部冷却管的必要性，同时提出合理的温度控制措施以指导实际施工。

1 工程概况

本项目位于江淮分水岭区域，是引江济淮工程中的一部分。淠河总干渠穿过位于江淮分水岭北侧、向西北方向倾斜的标段。承台纵、横向尺寸均为11.2 m，厚度为4.5 m，底部设置有9 根钻孔灌注桩基础，采用矩形布置，桩径2.0 m，长度均为35 m，按嵌岩桩设计。断面形式为5 m×6 m 矩形墩，高12.65 m。首次浇筑6 m 厚，第二次浇筑6.65 m 厚，每次浇筑计划6 h，浇筑180 m3，每小时30 m3，分层30～50 cm。

布置冷却水管主要是为了降低大体积混凝土施工时每层混凝土中心温度，防止内层和表面的混凝土温差过大产生结构裂缝。

2 温度控制标准

（1）入模后的温升值不大于50 ℃；

（2）里表温差不大于25 ℃；

（3）降温速率不宜大于2.0 ℃/ d；

（4）拆除保温覆盖时混凝土表面与大气温差不大于20 ℃。

3 应力控制标准

根据JTS202- 1- 2010《水运工程大体积混凝土温度裂缝控制技术规程》的规定，抗裂安全系数越大，相应的混凝土开裂的概率就越小。有关研究统计结果显示，当抗裂安全系数不小于1.4 时，开裂概率小于5%。

4 温度应力仿真计算

4.1 材料参数

C40 混凝土参数表见表1。

表1 C40 混凝土参数表

4.2 温度参数

（1）最大绝热温升如下：

4.3 应力参数

（1）混凝土内部最大拉应力如下：

fsp（t）——混凝土块体达到稳定温度或准稳定温度时劈裂抗拉强度试验值，MPa。

4.4 模型建立

4.4.1 网格建立

通过MIDAS/ FEA 有限元软件建立模型，使用实体单元。网格长度方向划分单位为1 m，宽度方向划分单位为1 m，高度方向划分单位为1 m，并设置一层浇筑与二层浇筑2 个网格组。垫层高度划分单位为1 m。

4.4.2 边界条件设置

（1）边界条件：底部设置竖向铰支座，垫层侧边与环境接触面设置铰支座，中心处结点不能移动，设置三方向铰支。

（2）对流边界：垫层与承台混凝土与外部环境的接触面需设置对流条件，设置外部大气温度为10 ℃。

4.4.3 冷却水管布置

冷却水管采用直径32 mm、壁厚2.5 mm 的钢管，按蛇形布置。水平间距为1.0 m，竖向间距为1.0 m，冷却管距混凝土边缘约为0.5 m，距混凝土上、下表面1 m。进水温度20 ℃。在建立的模型中加入冷却水管的布置。

4.5 结果与分析

4.5.1 温度

混凝土浇筑的最高温度等值线结果见图1。

图1 混凝土浇筑的最高温度等值线结果

4.5.2 应力混凝土浇筑的最大温度应力等值线结果见图2。混凝土浇筑的温度结果见表2。

图2 混凝土浇筑的最大温度应力等值线结果

表2 混凝土浇筑的温度结果

在上述给定的原材料温度、大气温度、水温等前提下，计算混凝土浇筑最大温升等指标，发现符合温度控制标准。

最大拉应力小于C40 混凝土容许抗拉强度，抗裂安全系数均大于1.4，满足要求。当上述条件改变时，应加强各温控指标监测，加强对原材料的覆盖和降温、适时改变通水速率和冷却水温、加强表面养护以满足温控指标要求。

5 水化热温控措施

5.1 混凝土质量控制

（1）混凝土拌合物的坍落度应不大于180 mm。

（2）采用水化热低、储存时间长的水泥，可以减少产生的水化热。

（3）配置时选取强度高的碎石和砂，可以提高混凝土的耐久性。

5.2 混凝土浇筑养护控制

为了降低主墩混凝土内部的最高温度，采用竖向分层浇筑。塑料薄膜搭接需要超过20 cm，其上覆盖保温层，再在保温层上覆盖一层塑料薄膜，达到保温、保湿及防雨的目的。混凝土水化升温期间和降温初期均不宜浇水养护，未散发的水分能够充分保证混凝土中水泥的水化。保温层主要起保温作用，根据测试情况控制保温层厚度，使混凝土处于良好的温热条件，进行正常的水化硬化。