橋墩承臺大體積砼控溫分析

袁瑞

摘 要：文章主要針對某斜拉橋主墩承臺大體積砼水化熱問題，通過對比分析未采取控溫措施及采取控溫措施設(shè)置冷凝管兩種工況下空間有限元仿真計算結(jié)果，表明采用冷凝管的控溫措施對大體積砼承臺澆筑過程降低水化熱效應(yīng)明顯，最后結(jié)合分析結(jié)果提出具體合理的控溫措施，以確保大體積砼承臺澆筑過程的安全可靠。

關(guān)鍵詞：大體積砼；水化熱；冷凝管；控溫措施

砼硬化過程中產(chǎn)生水化熱作用，直接導(dǎo)致砼內(nèi)部升溫，又在環(huán)境溫度作用下逐漸下降，直至達到穩(wěn)定。由于砼導(dǎo)溫系數(shù)小，大體積砼整體降溫及非線性溫度場，受內(nèi)外部邊界約束影響較大，產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力。當(dāng)溫度應(yīng)力超出同齡期砼的抗拉強度，可能導(dǎo)致溫度裂縫。為了更清楚地了解大體積砼水化熱對承臺結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，以某斜拉橋主墩承臺大體積砼工程為研究背景，采用空間有限元軟件MIDAS對比分析未采取控溫措施及采取控溫措施設(shè)置冷凝管兩種工況下空間有限元仿真溫度和應(yīng)力的計算結(jié)果進行了對比分析。

1 工程概況

依托工程橋梁主墩承臺設(shè)計采用兩層，上承臺高2.0m，為梯形棱臺結(jié)構(gòu)，頂面尺寸為17.0×10.0m，底部尺寸為21.0×14.0m，下承臺高4.0m，為矩形結(jié)構(gòu)，尺寸為23.6×18.6m?？傢庞昧?220立方米。承臺施工過程中，采用冷凝管進行整體控溫。冷卻管材質(zhì)選用鑄鐵管，具有導(dǎo)熱性好、強度高等特點，公稱直徑30mm。（圖1）

2 建立計算模型

承臺采用實體溫度單元，定義砼的熱性能參數(shù)（導(dǎo)溫系數(shù)K=9.34kJ/m·h·℃，比熱C=0.98kJ/m·h·℃），根據(jù)砼配合比屬性定義熱源函數(shù)[1]。選取單元邊長進行網(wǎng)格化處理，結(jié)合實際施工流程，模擬實際對流、水化熱及施加荷載，確定邊界條件[2][3]。

3 計算結(jié)果分析

3.1 溫度云計算

溫度云計算結(jié)果表明：（1）在有無設(shè)置管冷環(huán)境下，最高溫度點位置均出現(xiàn)在承臺內(nèi)部核心。（2）最高溫度均發(fā)生在砼澆注后20h左右。（3）由溫度云圖（無管冷）可看出首層砼澆筑20h后內(nèi)部達到最高溫度為60.5℃。溫度云圖（設(shè)置管冷）可看出首層砼澆筑20h后內(nèi)部達到最高溫度為29.0℃。（圖2）

3.2 應(yīng)力計算

分析主墩承臺各溫度特征點的應(yīng)力云圖，在未設(shè)置循環(huán)水冷卻環(huán)境下砼澆筑20h后承臺表面拉應(yīng)力最大為1.72MPa，大于C35砼抗拉強度應(yīng)力設(shè)計值1.52MPa。在設(shè)置循環(huán)水冷卻環(huán)境下砼澆筑20h后承臺表面的拉應(yīng)力最大為0.26MPa，未超過抗拉強度應(yīng)力設(shè)計值。（圖3）

4 結(jié)論

（1）依托工程主墩承臺體積較大，受砼水化熱影響較高，未設(shè)置循環(huán)水冷卻環(huán)境下，砼澆筑24h后內(nèi)部達到最高溫度為60.5℃。設(shè)置循環(huán)水冷卻環(huán)境下，砼澆筑24h后內(nèi)部達到最高溫度為29.0℃。冷凝管對承臺澆筑過程水化熱降溫效果明顯，建議采用冷凝管方案實施。（2）根據(jù)應(yīng)力計算結(jié)果，主墩承臺在未設(shè)置循環(huán)水冷卻環(huán)境下由溫度產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于C35砼抗拉強度應(yīng)力設(shè)計值，不滿足相關(guān)規(guī)范要求。主墩承臺在設(shè)置循環(huán)水冷卻環(huán)境下由溫度產(chǎn)生的拉應(yīng)力在允許的范圍以內(nèi)。建議采用適當(dāng)?shù)墓芾錅p小承臺澆筑過程水化熱的影響。

5 結(jié)束語

（1）文章指出的分析方法可以為類似的工程借鑒，在大體積砼澆筑前，通過對比分析未采取控溫措施及采取控溫措施仿真計算，最后結(jié)合分析結(jié)果提出具體合理的控溫措施。（2）大體積砼的溫度應(yīng)力和防裂問題是一個十分復(fù)雜的問題，特別是混凝土澆筑后三天內(nèi)表層拉應(yīng)力值上升較快，需加強對砼表面的保溫措施。通過優(yōu)化配合比，采用雙摻技術(shù)，減少水泥用量，改善骨料級配及調(diào)整施工時間等可有效緩解混凝土的水化熱作用。

參考文獻

[1]葉見曙.砼箱梁的水化熱溫度分析[J].橋梁建設(shè)，2000（4）：729.

[2]朱伯芳.水工砼結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力與溫度控制[M].北京：水利電力出版社，1976.

[3]陳應(yīng)波.大體積砼澆筑溫度場的仿真分析[J].華中科技大學(xué)學(xué)報，2004，21（2）：37-39.