基于Midas Civil的承臺大體積混凝土溫度控制及數(shù)值分析

李城，陶甫先，劉夢偉

（長安大學公路學院，西安710064）

基于Midas Civil的承臺大體積混凝土溫度控制及數(shù)值分析

李城，陶甫先，劉夢偉

（長安大學公路學院，西安710064）

大體積混凝土結構在施工過程中，由于混凝土的水化熱反應，易出現(xiàn)內(nèi)外溫差，產(chǎn)生過大的溫度應力，進而引起溫度裂縫。針對混凝土水化熱問題，以兌房河特大橋5＃墩為例，提出承臺大體積混凝土布設冷卻管的溫控方案，利用有限元軟件Midas Civil進行水化熱數(shù)值分析，并將理論計算值與現(xiàn)場溫度監(jiān)測結果進行對比分析。實踐表明，兌房河特大橋承臺在施工過程中采取的溫控措施，取得了較好的效果，并為類似工程提供一定的指導意義。

大體積混凝土；水化熱；冷卻管；有限元；溫度控制

隨著我國橋梁施工技術的不斷發(fā)展，大體積混凝土承臺在橋梁結構中的應用日趨廣泛，尤其是高墩大跨連續(xù)剛構橋。然而大體積混凝土結構由于施工期水泥的水化熱反應，會引起混凝土內(nèi)部溫度急劇上升，且內(nèi)部水化熱不易散失，外部混凝土受氣溫影響散熱較快，使混凝土內(nèi)外形成一定的溫度梯度，產(chǎn)生溫度應力，即混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應力，混凝土表面產(chǎn)生拉應力，當其大于混凝土當時的抗裂強度時，就會產(chǎn)生溫度裂縫，影響結構安全［1］。因此，需采取有效措施來降低混凝土水化熱，并對結構進行溫度監(jiān)控。文章以在建的兌房河特大橋5＃承臺為依托工程，利用有限元軟件Midas Civil進行仿真分析，預測混凝土內(nèi)部的溫度分布規(guī)律，并將合理布設冷卻管作為關鍵技術，進行現(xiàn)場溫度監(jiān)控，并結合監(jiān)測結果進行對比分析，驗證布設冷卻管降溫的效果［2］。

1 工程概況

K14＋060橋位于云南省道S228線六庫～躍進橋段二級公路3合同段，為跨越兌房河而設，3合同段的控制性工程。主橋上部結構為100 m＋180 m＋100 m預應力混凝土連續(xù)剛構，主墩高105 m，橋墩基礎為群樁承臺，采用C30混凝土，分兩層澆筑，尺寸為18.2 m×18.2 m×5 m（圖1、圖2），體積1656.2 m3。屬于大體積混凝土結構，必須對結構進行溫度監(jiān)控。

2 溫控設計方案

2.1 溫控標準

針對兌房河特大橋承臺大體積混凝土自身特點，綜合考慮混凝土入模溫度、混凝土水化熱的發(fā)展變化規(guī)律、養(yǎng)護條件、通水散熱等因素，制定溫控標準［3-4］：

（1）混凝土澆筑時入模溫度：5℃≤T≤30℃。

（2）澆筑過程中，混凝土的水化熱最大溫升不大于25℃。

（3）澆筑完成后，混凝土內(nèi)部與表面溫差不大于20℃。

（4）冷卻管進口水溫與混凝土內(nèi)部最高溫度溫差控制在25℃以內(nèi)。

（5）內(nèi)部最高溫度不大于75℃。

（6）養(yǎng)護水與砼表面溫差不大于15℃。

2.2 冷卻管布設

為了降低混凝土內(nèi)部溫度，在混凝土內(nèi)部布設冷卻管。冷卻管采用32 mm鑄鐵水管，管道連接密封防止漏水，冷卻管在豎向分四層布置，層間距1.4 m，水平單層采用蛇形走向，上下兩層蛇形走向沿橋縱橫交錯布置。冷卻水的流量控制在1.42 m3／h。平面布置如圖3、圖4所示。

2.3 溫度監(jiān)控

根據(jù)承臺結構及水化熱溫度場分布規(guī)律，深度上按兩層布置，表面層深1.25 m，第二層深2.5 m，考慮承臺平面的對稱性，在承臺平面1／4位置沿水平方向布置溫度傳感器。根據(jù)測溫點數(shù)量和深度選用長度規(guī)格合適的測溫線，預埋時以直徑25 mm鍍鋅鋼管作支承物，將測溫線按照測溫點距離放在鍍鋅鋼管內(nèi)，采用便攜式建筑電子測溫儀進行測試。具體測點布置位置如圖5、圖6所示。

承臺溫度監(jiān)測在混凝土澆筑后立即開始，直至混凝土澆注完成后持續(xù)監(jiān)測20天，監(jiān)測期間根據(jù)現(xiàn)場混凝土的溫度監(jiān)測值進行實時分析，并采取不同的測試頻率。根據(jù)以往經(jīng)驗大體積混凝土水化熱主要發(fā)生在混凝土澆注后的72 h內(nèi)，因此為了保證溫度監(jiān)測的準確性，在澆注完成后的72 h內(nèi)，增加監(jiān)測頻率，每2 h采集一次數(shù)據(jù)；等到溫度上升到最大值并開始下降時，每5 h采集一次溫度數(shù)據(jù)，待溫度下降均勻后，一天采集一次數(shù)據(jù)，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)在大體積混凝土內(nèi)部溫度與外界溫差小于20℃時停止溫度監(jiān)測［5］。

3 有限元分析

3.1 基本假定

利用Midas Civil對兌房河特大橋5＃墩承臺進行有限元分析時做如下假定［6］：

（1）假定混凝土為均質(zhì)體，忽略鋼筋的影響。

（2）忽略冷卻管的體積，只考慮其冷卻效用。

（3）假設同一澆筑層混凝土的初始溫度一致。

（4）忽略外界環(huán)境的對混凝土表面放熱系數(shù)引起的差異，假定混凝土表面放熱系數(shù)一致。

3.2 計算參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場試驗、經(jīng)驗以及查閱相關文獻得到兌房河特大橋承臺結構有限元模擬分析參數(shù)［7-8］（表1）。

3.3 計算模型

由于5＃墩結構對稱，為了提高建模速度、縮短分析時間，只取1／4部分利用實體單元進行建模和分析［9］，而且這樣也便于查看內(nèi)部溫度分布以及應力發(fā)生狀況。模型共劃分為10 820節(jié)點9036單元，計算模型如圖7所示。

通過對兌房河特大橋5＃承臺水化熱進行有限元仿真分析，發(fā)現(xiàn)在采取了冷卻管降溫措施后，承臺內(nèi)部最高溫為70.24℃，內(nèi)外溫差最大為17.14℃，小于溫控標準，起到了控制水化熱的作用。

4 溫度監(jiān)控結果分析

根據(jù)溫控方案，通過精密的監(jiān)控，得到準確的測試結果，繪制混凝土理論及實測斷面平均溫度時程曲線進行對比分析（圖8、圖9）。其中，外部溫度是指圖5、圖6中靠近承臺側(cè)邊的測點的溫度平均值；內(nèi)部溫度是指除了靠近承臺側(cè)邊的各測點溫度平均值［10］。同時給出混凝土澆注后50 h的溫度云圖及具有內(nèi)部高溫代表性的節(jié)點N1471的溫度時程曲線，如圖10、圖11所示。

由圖8～圖11可知，承臺混凝土溫度變化都有三個階段：（1）急劇的溫升階段；（2）緩慢的的溫降階段；（3）溫度穩(wěn)定階段。其中，第1階段的溫升主要發(fā)生在澆筑混凝土后三天內(nèi)，達到最大值后，峰值持續(xù)約4～10 h。通過現(xiàn)場實測值得知兌房河特大橋5＃承臺混凝土內(nèi)部最高溫度為71.46℃，最大內(nèi)外溫差為18.13℃，小于20℃的最大內(nèi)外溫差控制要求，且與理論計算的內(nèi)部最高溫度70.24℃、最大溫差17.14℃相差不大，吻合較好。在溫度監(jiān)測的同時，現(xiàn)場對拆模以后的承臺進行外觀檢測，未發(fā)現(xiàn)溫度裂縫。因此可以說明本承臺的溫控措施取得了較好效果。

5 結論

以兌房河特大橋5＃墩承臺為依托工程，利用Midas Civil對承臺大體積混凝土進行有限元仿真分析，將布設冷卻管作為關鍵技術，通過現(xiàn)場監(jiān)測，對承臺大體積混凝土水化熱反應進行研究，主要得到以下結論：

（1）利用有限元軟件對大體積混凝土水化熱進行仿真計算，可以較好地模擬并預測水化熱的實際發(fā)生情況，對大體積混凝土的溫度控制及施工具有指導意義。

（2）通過對兌房河特大橋5＃墩承臺合理布設4層冷卻管進行溫度控制的現(xiàn)場監(jiān)測結果發(fā)現(xiàn)，全部溫度指標均未超過相應規(guī)范標準，說明將布設冷卻管作為降溫措施是可行的，且效果較好。

（3）通過對拆模以后的承臺進行外觀檢測，未發(fā)現(xiàn)有害溫度裂縫產(chǎn)生，說明對于大體積混凝土結構采取合理的措施控制其水化熱溫升，也能夠有效地控制溫度裂縫的產(chǎn)生，為結構的安全提供保障。

［1］朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制［M］.北京：中國電力出版社,1998.

［2］李長瑞,杜嘉林.M idas Civil在大體積混凝土承臺水化熱控制中的應用［J］.山東交通科技,2011（1）：58-61.

［3］楊雅勛.橋梁承臺大體積混凝土施工溫度控制及數(shù)值分析［J］.四川建筑科學研究,2012,38（5）：333-335.

［4］劉沐宇,徐黎明,汪峰,等.廣州黃埔大橋承臺大體積混凝土溫度控制與監(jiān)測分析［J］.華中科技大學學報：城市科學版,2008,25（1）：12-15.

［5］宋群國,楊雅勛,孫磊.橋梁承臺大體積混凝土施工溫度控制［J］.公路交通科技：應用技術版,2011（10）：72-74.

［6］劉耀東,白應華,余天慶,等.基于M idas的大體積混凝土承臺管冷技術優(yōu)化研究［J］.混凝土：實用技術, 2009（9）：110-112.

［7］邱順東.橋梁工程軟件M idas Civil應用工程實例［M］.北京：人民交通出版社,2011.

［8］盧二俠.大體積混凝土承臺水化熱溫度分析與控制［D］.長沙：湖南大學,2007.

［9］解榮.大體積混凝土溫度監(jiān)控的研究［D］.西安：長安大學,2011.

［10］劉離榕,梁峰.大體積承臺混凝土溫度監(jiān)測控制技術及應用［J］.水利與建筑工程學報,2012,10（1）：83-87.

Tem perature Controland Numerical Analysis for Massive Concrete of Cushion Cap Based on Midas Civil

LICheng，TAO Fuxian，LIU Mengwei
（School of Highway，Chang'an University，Xi'an 710064，China）

As a resultof the concrete hydration thermal，it is easy to appear larger temperature difference between inside and outside and produce excessive temperature stresswhich will cause the temperature cracks in the process of construction of massive concrete structure.In view of the problem of concrete hydration，the article uses the bridge of Duifang River as an example to analyze the temperature values of theoretical calculation and fieldmonitoring results through set cooling pipe as the temperature-loweringmeasure and use finite element software Midas Civil for numerical analysis.Practice shows that the cushion cap of the bridge of Duifang River'temperature controlmeasure in the construction process has achieved good results，and can provide certain guiding significance for similar projects.

massive concrete；heat of hydration；cooling pipe；finite element；temperature control

TU528.1

A

1673-1549（2014）04-0078-04

10.11863／j.suse.2014.04.19

2014-04-01

李城（1989-），男，山東日照人，碩士生，主要從事橋梁檢測、加固及監(jiān)控方面的研究，（E-mail）546517093＠qq.com