基于MIDAS/FEA 的承臺(tái)大體積混凝土水化熱仿真分析及溫控研究

董福歧 黃國(guó)松

1.中國(guó)鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司 天津 300300；2.安徽省高等級(jí)公路工程有限公司 安徽合肥 230031

為了分析大體積混凝土施工中溫度應(yīng)力的變化規(guī)律，有效控制混凝土的內(nèi)外部溫差，本文以淠河總干渠渡槽主墩施工為工程背景，采用MIDAS/ FEA 對(duì)主墩進(jìn)行建模，進(jìn)行溫度應(yīng)力仿真計(jì)算，針對(duì)主墩大體積混凝土水化熱進(jìn)行分析，模擬計(jì)算出內(nèi)部結(jié)構(gòu)的溫度變化以及應(yīng)力分布情況，確定布置內(nèi)部冷卻管的必要性，同時(shí)提出合理的溫度控制措施以指導(dǎo)實(shí)際施工。

1 工程概況

本項(xiàng)目位于江淮分水嶺區(qū)域，是引江濟(jì)淮工程中的一部分。淠河總干渠穿過位于江淮分水嶺北側(cè)、向西北方向傾斜的標(biāo)段。承臺(tái)縱、橫向尺寸均為11.2 m，厚度為4.5 m，底部設(shè)置有9 根鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，采用矩形布置，樁徑2.0 m，長(zhǎng)度均為35 m，按嵌巖樁設(shè)計(jì)。斷面形式為5 m×6 m 矩形墩，高12.65 m。首次澆筑6 m 厚，第二次澆筑6.65 m 厚，每次澆筑計(jì)劃6 h，澆筑180 m3，每小時(shí)30 m3，分層30～50 cm。

布置冷卻水管主要是為了降低大體積混凝土施工時(shí)每層混凝土中心溫度，防止內(nèi)層和表面的混凝土溫差過大產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂縫。

2 溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

（1）入模后的溫升值不大于50 ℃；

（2）里表溫差不大于25 ℃；

（3）降溫速率不宜大于2.0 ℃/ d；

（4）拆除保溫覆蓋時(shí)混凝土表面與大氣溫差不大于20 ℃。

3 應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)JTS202- 1- 2010《水運(yùn)工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，抗裂安全系數(shù)越大，相應(yīng)的混凝土開裂的概率就越小。有關(guān)研究統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，當(dāng)抗裂安全系數(shù)不小于1.4 時(shí)，開裂概率小于5%。

4 溫度應(yīng)力仿真計(jì)算

4.1 材料參數(shù)

C40 混凝土參數(shù)表見表1。

表1 C40 混凝土參數(shù)表

4.2 溫度參數(shù)

（1）最大絕熱溫升如下：

4.3 應(yīng)力參數(shù)

（1）混凝土內(nèi)部最大拉應(yīng)力如下：

fsp（t）——混凝土塊體達(dá)到穩(wěn)定溫度或準(zhǔn)穩(wěn)定溫度時(shí)劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)值，MPa。

4.4 模型建立

4.4.1 網(wǎng)格建立

通過MIDAS/ FEA 有限元軟件建立模型，使用實(shí)體單元。網(wǎng)格長(zhǎng)度方向劃分單位為1 m，寬度方向劃分單位為1 m，高度方向劃分單位為1 m，并設(shè)置一層澆筑與二層澆筑2 個(gè)網(wǎng)格組。墊層高度劃分單位為1 m。

4.4.2 邊界條件設(shè)置

（1）邊界條件：底部設(shè)置豎向鉸支座，墊層側(cè)邊與環(huán)境接觸面設(shè)置鉸支座，中心處結(jié)點(diǎn)不能移動(dòng)，設(shè)置三方向鉸支。

（2）對(duì)流邊界：墊層與承臺(tái)混凝土與外部環(huán)境的接觸面需設(shè)置對(duì)流條件，設(shè)置外部大氣溫度為10 ℃。

4.4.3 冷卻水管布置

冷卻水管采用直徑32 mm、壁厚2.5 mm 的鋼管，按蛇形布置。水平間距為1.0 m，豎向間距為1.0 m，冷卻管距混凝土邊緣約為0.5 m，距混凝土上、下表面1 m。進(jìn)水溫度20 ℃。在建立的模型中加入冷卻水管的布置。

4.5 結(jié)果與分析

4.5.1 溫度

混凝土澆筑的最高溫度等值線結(jié)果見圖1。

圖1 混凝土澆筑的最高溫度等值線結(jié)果

4.5.2 應(yīng)力混凝土澆筑的最大溫度應(yīng)力等值線結(jié)果見圖2?；炷翝仓臏囟冉Y(jié)果見表2。

圖2 混凝土澆筑的最大溫度應(yīng)力等值線結(jié)果

表2 混凝土澆筑的溫度結(jié)果

在上述給定的原材料溫度、大氣溫度、水溫等前提下，計(jì)算混凝土澆筑最大溫升等指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)符合溫度控制標(biāo)準(zhǔn)。

最大拉應(yīng)力小于C40 混凝土容許抗拉強(qiáng)度，抗裂安全系數(shù)均大于1.4，滿足要求。當(dāng)上述條件改變時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)各溫控指標(biāo)監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)對(duì)原材料的覆蓋和降溫、適時(shí)改變通水速率和冷卻水溫、加強(qiáng)表面養(yǎng)護(hù)以滿足溫控指標(biāo)要求。

5 水化熱溫控措施

5.1 混凝土質(zhì)量控制

（1）混凝土拌合物的坍落度應(yīng)不大于180 mm。

（2）采用水化熱低、儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)的水泥，可以減少產(chǎn)生的水化熱。

（3）配置時(shí)選取強(qiáng)度高的碎石和砂，可以提高混凝土的耐久性。

5.2 混凝土澆筑養(yǎng)護(hù)控制

為了降低主墩混凝土內(nèi)部的最高溫度，采用豎向分層澆筑。塑料薄膜搭接需要超過20 cm，其上覆蓋保溫層，再在保溫層上覆蓋一層塑料薄膜，達(dá)到保溫、保濕及防雨的目的。混凝土水化升溫期間和降溫初期均不宜澆水養(yǎng)護(hù)，未散發(fā)的水分能夠充分保證混凝土中水泥的水化。保溫層主要起保溫作用，根據(jù)測(cè)試情況控制保溫層厚度，使混凝土處于良好的溫?zé)釛l件，進(jìn)行正常的水化硬化。

5.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)

為了保證混凝土澆筑過程中的溫度符合規(guī)范要求，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)，監(jiān)測(cè)不同時(shí)間的各項(xiàng)溫控指標(biāo)是否符合溫度控制標(biāo)準(zhǔn)，保證施工正常進(jìn)行。

6 結(jié)論

在給定的溫度條件下，混凝土澆筑過程中的最大溫升、內(nèi)外溫差等指標(biāo)均符合溫度控制標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)部冷卻水管的布置效果明顯。內(nèi)部最大拉應(yīng)力小于C40 混凝土容許的抗拉強(qiáng)度，抗裂安全系數(shù)大于1.4，抗裂性能好。在布置冷卻水管的基礎(chǔ)上，從混凝土的質(zhì)量控制及澆筑養(yǎng)護(hù)控制等方面提出水化熱的溫控措施，以指導(dǎo)實(shí)際施工。