基于Midas Civil橋梁承臺(tái)大體積混凝土溫度應(yīng)力對(duì)裂縫的影響及控制

過海明， 高 鵬

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009 )

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)迅速的發(fā)展，大型橋梁日新月異，已經(jīng)逐漸出現(xiàn)在我們的視野中，雖然我國(guó)的設(shè)計(jì)師在對(duì)橋梁的設(shè)計(jì)和施工有巨大的突破，但是在大體積基礎(chǔ)施工過程中仍然存在很多技術(shù)上難題，比如大體積混凝土承臺(tái)的溫度控制問題。[1]

各國(guó)對(duì)大體積并沒有形成一個(gè)統(tǒng)一的概念，但是都是對(duì)混凝土的尺寸、溫度和裂縫進(jìn)行限制性來(lái)定義的。大體積結(jié)構(gòu)在施工時(shí)，混凝土總用方量大，在施工過程中技術(shù)要求高，難度大，并且由于外部環(huán)境也會(huì)帶來(lái)很多問題，對(duì)模板強(qiáng)度要求比較高，內(nèi)部集聚大量的熱量，極易使結(jié)構(gòu)物或者構(gòu)筑物產(chǎn)生溫度裂縫。因?yàn)槠矫娣较虺叽绶浅４?，在水平方向在溫度?yīng)力作用產(chǎn)生的力也愈大，若對(duì)于溫度產(chǎn)生裂縫的措施控制不當(dāng)，當(dāng)溫度應(yīng)力超過混凝土容許的應(yīng)力值時(shí)，裂縫產(chǎn)生的可能性就大幅度提高。

在施工過程中，裂縫產(chǎn)生有很多原因，但主要是溫度和收縮，溫度裂縫是由于膠凝材料在水化過程中熱，而在內(nèi)部熱量集聚，溫升大，基本可以達(dá)到70℃以上。升溫速率高，降溫速率低，當(dāng)溫度應(yīng)力超過混凝土的容許的應(yīng)力時(shí)，易產(chǎn)生表面裂縫或貫穿裂縫。收縮而產(chǎn)生的裂縫是由于配合比中水和水泥使用量較高，導(dǎo)致混凝土中骨料使用量較低，在膠凝材料以及骨料干硬過程中的收縮產(chǎn)生的應(yīng)力非常大，當(dāng)收縮產(chǎn)生的應(yīng)力超過混凝土容許應(yīng)力就會(huì)產(chǎn)生裂縫。

1 工程概況

本文以的某橋梁大體積承臺(tái)為研究對(duì)象，該承臺(tái)為矩形，平面的尺寸為20.5m 16m。承臺(tái)的高度為6m。在本工程中所采用的水泥為低熱水泥，混凝土C35等級(jí)，水和膠凝材料的比為0.39，砂率為37%,單位體積水泥使用量為230 kg。施工期間當(dāng)?shù)仄骄鶜鉁貫?0℃，混凝土容重為2 400 kg/m3，其他混凝土相關(guān)參數(shù)如表1。

表1 混凝土相關(guān)參數(shù)

2 Midas Civil 軟件進(jìn)行水化熱分析理論

在對(duì)混凝土水化熱分析時(shí)，可使用Midas Civil進(jìn)行建模分析，依據(jù)能量守恒的熱平衡方程原理，能夠模擬的施工的全過程，包括前期的分層分塊澆筑，冷卻的水管布置情況，散熱規(guī)律以及混凝土的收縮和徐變等復(fù)雜的影響因素。使用有限元來(lái)模擬各個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化，并導(dǎo)出其他相關(guān)的物理參數(shù)。[2]對(duì)于混凝土的水化熱分析，常用的分析過程是進(jìn)行熱傳導(dǎo)和溫度應(yīng)力分析。 熱傳導(dǎo)分析是針對(duì)膠凝材料水化過程中的放熱、傳導(dǎo)和對(duì)流等隨齡期的變化的趨勢(shì)。[3]溫度應(yīng)力分析是對(duì)節(jié)點(diǎn)的溫度進(jìn)行等價(jià)轉(zhuǎn)化，再對(duì)節(jié)點(diǎn)部分進(jìn)行加載，再分析結(jié)構(gòu)隨齡期應(yīng)力變化的趨勢(shì)。[4]

3 建模與結(jié)果分析

3.1 建模

在Midas Civil模型中，依據(jù)表1參數(shù)將承臺(tái)模擬成具有一定傳熱速率的結(jié)構(gòu)。由于該承臺(tái)結(jié)構(gòu)模型具有高度對(duì)稱性，所以我們僅對(duì)四分之一模型進(jìn)行建模和分析，降低過程分析所使用的時(shí)間，便于觀察內(nèi)部溫度、應(yīng)力的變化情況。[5]這里的冷卻水管的間距為1 m，可布置6層。整個(gè)模型有10 067個(gè)單元，結(jié)點(diǎn)總數(shù)為11 594個(gè)。建立的有限元分析模型和冷卻水管的布置如圖1、圖2所示。

圖1 1/4承臺(tái)有限元模型

圖2 1/4承臺(tái)冷卻水管平面布置

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 溫度情況分析

通過對(duì)模型分析計(jì)算可得，可清晰看出澆筑120 h時(shí)，最大溫度的時(shí)候溫度場(chǎng)的分布情況，如圖3所示。

圖3 1/4承臺(tái)澆筑120d溫度場(chǎng)分布

可取最高溫度處，在混凝土澆筑的第5 d左右出現(xiàn)，最高溫度為51.2 ℃，符合規(guī)范條件。承臺(tái)的表內(nèi)溫度差情況如圖4所示，分析可知，承臺(tái)表內(nèi)溫差最大值約20 ℃，滿足規(guī)范不大于25 ℃的要求。

圖4 承臺(tái)表內(nèi)溫差變化曲線

3.2.2 應(yīng)力情況分析

由導(dǎo)出的應(yīng)力變化圖可得，許用應(yīng)力一直處于實(shí)際溫度應(yīng)力曲線上方，則許用應(yīng)力大于溫度應(yīng)力，符合規(guī)范的條件，不會(huì)有裂縫產(chǎn)生。具體變化曲線圖如圖5所示。

圖5 承臺(tái)表面最大應(yīng)力變化曲線

4 裂縫控制方案及措施控制

4.1 從材料角度控制裂縫

從材料角度進(jìn)行控制，具體提出以下幾點(diǎn)：

(1)可以合理使用減水劑，考慮高效減水劑的使用，目前在市場(chǎng)上種類繁多，但是基本性能都差異不大，均可增強(qiáng)混凝土和易性，減少水的使用量，利于其泵送和澆筑。也可以減少水泥使用量，節(jié)約水泥，達(dá)到經(jīng)濟(jì)性要求。同時(shí)高效減水劑對(duì)水泥、粉煤灰、石子等混凝土原材料適應(yīng)性好，不會(huì)對(duì)混凝土的后期的工作性能有影響。并且混凝土后期抗壓強(qiáng)度增加效果顯著。在工程及其試驗(yàn)過程中也可以對(duì)混凝土進(jìn)行復(fù)配，反復(fù)調(diào)整減水劑和其他外加劑的比例，得到該工程的最佳減水劑使用量，同時(shí)也有良好的維持坍落度效果和抗凍效果等。[6]從而在保證混凝土性能基礎(chǔ)上，達(dá)到經(jīng)濟(jì)型效果。

(2)可以適當(dāng)使用膨脹劑，膨脹劑具有補(bǔ)償混凝土收縮的作用。[7]由于礦物摻合料的摻入限制混凝土的膨脹，而膨脹劑的加入剛好補(bǔ)償剛好的收縮部分，從而降低了混凝土收縮可能性，降低混凝土產(chǎn)生裂縫產(chǎn)生的概率。在我國(guó)混凝土工程中，常用的膨脹劑有氧化鈣、氧化鎂類和金屬類等。在實(shí)際工程中均得到廣泛的使用，但是由于考慮到成本，要嚴(yán)格控制好外加劑用量，這樣才能達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)效益，才能符合實(shí)際工程的要求。

4.2 從施工角度控制裂縫

從施工角度進(jìn)行控制，具體提出以下幾點(diǎn)：

(1)嚴(yán)格控制混凝土生產(chǎn)所用各種材料的溫度，特別是膠凝材料，提前5-7天預(yù)留專用倉(cāng)水泥、粉煤灰以及礦粉，降低膠凝材料在入機(jī)溫度；嚴(yán)把粉煤灰的質(zhì)量關(guān)，確保粉煤灰的各項(xiàng)指標(biāo)合格。

(2)不定期地對(duì)砂石原材料供應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行考察，確保進(jìn)場(chǎng)原材料貨源穩(wěn)定，對(duì)進(jìn)場(chǎng)的骨料的質(zhì)量嚴(yán)格把關(guān)，對(duì)骨料的相關(guān)參數(shù)做到每批次檢測(cè)，不合格骨料一律退貨。

(3)若在高溫期間進(jìn)行大體積混凝土施工，為了避免因骨料溫度過高，需要定時(shí)的對(duì)砂石骨料進(jìn)行噴淋灑水以降低骨料溫度，進(jìn)而避免混凝土入模溫度偏高的現(xiàn)象。

(4)對(duì)混凝土出廠坍落度進(jìn)行嚴(yán)格控制，監(jiān)控混凝土的坍落度損失。對(duì)混凝土到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)的坍落度進(jìn)行檢測(cè)并嚴(yán)格控制，保持在合理的范圍內(nèi)，使混凝土易性良好，不發(fā)生分層或離析現(xiàn)象。對(duì)個(gè)別車輛混凝土坍落度較小，可由技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)加入外加劑進(jìn)行調(diào)節(jié)，嚴(yán)格禁止非技術(shù)人員加水調(diào)整坍落度。

(5)大體積混凝土要進(jìn)行連續(xù)作業(yè)，對(duì)連續(xù)供應(yīng)的混凝土要求高。為了保證混凝土的施工要求，在項(xiàng)目澆筑混凝土期間，將實(shí)行外調(diào)以及試驗(yàn)人員24h現(xiàn)場(chǎng)值班制，以便于能夠做到隨時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)情況，確?，F(xiàn)場(chǎng)不斷料，不積壓過多車輛，保證混凝土在施工過程中能夠連續(xù)澆筑的同時(shí)也不至于由于混凝土等待時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)坍損過大無(wú)法施工的現(xiàn)象出現(xiàn)。

5 結(jié) 論

(1)Midas Civil可以模擬橋梁承臺(tái)建筑期間的溫升，可以為實(shí)際工程提供方案和參考。同時(shí)我們也可以調(diào)節(jié)不同的冷卻水管的鋪設(shè)厚度，然后繼續(xù)分析同一高度承臺(tái)的表內(nèi)溫差。在實(shí)際工程中這樣對(duì)裂縫控制的頗有意義。

(2)在大體積混凝土施工過程中，尤為重視裂縫問題?？上冗M(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，再進(jìn)行試配和優(yōu)化，得到最佳配合比。對(duì)原材料的性質(zhì)嚴(yán)格把關(guān)，水泥選擇低熱水泥，減少使用量，粗骨料選用連續(xù)級(jí)配，細(xì)骨料選擇恰當(dāng)?shù)募?xì)度模數(shù)，并合理的使用外加劑。在澆筑過程中，施工管理人員也要對(duì)入模前的混凝土進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)不合格的混凝土予以相應(yīng)處理?？蔀橐院笸愋凸こ烫峁├碚撝笇?dǎo)。