橋梁工程中大體積混凝土溫度變化研究

程昌勤，周少成，楊毅

（江西省交投集團撫州管理中心，江西 撫州 344000）

0 引言

混凝土是一種不導溫的材料，在澆筑時因水化反應產生的熱量不易散發(fā)而在內部形成溫度應力，該應力的存在容易使混凝土產生裂縫，進而影響結構的安全。近年來，隨著交通建筑業(yè)的快速發(fā)展，橋梁工程中的大型橋梁在不斷增多，伴隨著大體積混凝土的澆筑施工帶來的水化熱問題也引起了人們的關注，大體積混凝土因澆筑混凝土的量更多，體型更大，出現(xiàn)裂縫的概率更大。為此，本文結合橋梁工程中大體積混凝土的溫度變化問題，根據(jù)實際的橋梁工程結合ANSYS有限元軟件開展研究。

1 工程概況

本工程為一座跨海大橋，其墩承臺中存在大體積混凝土的溫度裂縫問題，大橋的墩承臺平面尺寸為59.08m×27.78m，形狀為長六邊形，承臺的厚度為6m。采用C40強度等級的防腐抗凍高性能混凝土進行墩承臺澆筑，總的承臺澆筑混凝土用量為8511.6m3，本次澆筑正處于冬季，日平均氣溫較低，為保證混凝土質量，分為兩次進行澆筑，每次澆筑的高度為3m，關于C40混凝土的配合比及原料情況如表1所示。

表1 C40混凝土配合比及原料情況表

2 有限元分析

利用ANSYS有限元軟件建立與實際情況相似的三維模型，對墩承臺的溫度場及溫度應力進行數(shù)值分析。采用ANSYS有限元軟件的原因是其建模簡單、計算功能較為強大。

2.1 模擬的建立

模擬時對有限元軟件中的模型進行假定，具體的假定如下所示：

（1）假定模型中的混凝土為均勻質體，即假定所設的材料為各項同性質材料。

（2）假定在同一層澆筑的混凝土的彈性模型及初始溫度相同。

（3）假定在設置邊界條件時不考慮其對模型的影響，即假定同一個約束面的約束一致。

（4）假定混凝土內部的鋼筋不起影響作用。

本次建模時設置熱學參數(shù)、澆筑溫度、對流邊界條件及環(huán)境溫度等因素。結構采用六面體八節(jié)點的單元，進行熱分析時采用SOLID70單元進行分析。對模型的溫度邊界條件進行設置，對模型的墊層底面將結點的溫度設置為恒等于土壤的溫度（5℃），將澆筑面積承臺的側面設置為15℃（表面的放熱系數(shù)為23.9），將承臺側初始澆筑時的溫度設置為10℃。

2.2 施工順序模擬

對實際工程的施工順序進行模擬，首先進行第一層混凝土的澆筑，即0～3m混凝土的澆筑模擬，主要通過控制ANSYS軟件中對單元生與死的宏命令來實現(xiàn)各項參數(shù)邊界條件及初始條件的變化。因為在模擬中已對澆筑層進行劃分，所以只需激活相應層的單元即可表示一層混凝土的澆筑完成；然后進行間歇，間歇時間為16d，接著再進行第二層混凝土澆筑的模擬，即3～6m層混凝土，具體的模擬過程同前；最后再進行間歇來模擬混凝土的養(yǎng)護。在整個溫度場的計算中，水泥的水化熱作為主要的溫度荷載施加在已被激活的各個節(jié)點上來完成模擬計算。

2.3 模擬的結果分析

（1）墩承臺溫度場的分析

對兩次澆筑的中心及表面點取點進行溫度場分析并繪制曲線，具體結果如圖1所示。

由圖1（a）可知，最初不論是表面上的點還是中心位置的點，其溫度都在澆筑開始之后迅速增大，并且都達到最大值。其中，中心點約在第5d出現(xiàn)溫度最大值，約為39℃，表面點約出現(xiàn)在第3d，溫度最大值約為26℃。后面隨著澆筑的完成溫度慢慢下降。對比兩條曲線也可以發(fā)現(xiàn)在中心點位置的溫度較高，而側面及澆筑面的溫度較低，出現(xiàn)這樣的情況主要是因為混凝土是不導熱的材料，在中心處散熱較慢，而表面及側面有空氣流動進行熱流交換，可以帶走混凝土的表面溫度，因此，其溫度降低較快，溫度較低。

圖1 溫度場分析繪制曲線

圖1（b）為兩層混凝土都澆筑完后混凝土中的某些點溫度隨時間的變化曲線圖，由圖1（b）可知，承臺頂面中心點A的溫度變化較快，主要由于該點位于承臺頂面，空氣對流較快，可以很快地帶走表面的溫度，因此出現(xiàn)曲線變化快的特點。承臺的中心點B及第二層混凝土中心D均出現(xiàn)兩個峰值。第一個溫度最大值約出現(xiàn)在第一層澆筑后第5d，溫度值約為27℃，隨后由于空氣對流帶走熱量，溫度開始下降。第二次的溫度最大值出現(xiàn)在第二層混凝土澆筑完成后的第3d，其溫度值約為38℃及47℃，隨后各點的溫度均開始下降，B曲線第二次峰值的出現(xiàn)主要是由于第二層混凝土的澆筑，阻斷了其中心混凝土熱量的散發(fā)；C曲線為第一層混凝土的中心，只出現(xiàn)一次溫度最大值，說明第二次混凝土的澆筑對第一層的混凝土溫度影響較小。

（2）墩承臺溫度應力分析

對兩次澆筑取點進行溫度應力分析，具體的結果如圖2、圖3所示。

圖2 第一層澆筑應力變化曲線圖

圖3 第二層澆筑應力變化曲線圖

圖2表示第一層混凝土澆筑后在X向及Z向的混凝土最大拉應力隨時間的變化曲線圖，由圖（2）可知，隨著模型中混凝土內外溫差的變化，其最大拉應力出現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，最大的拉應力約出現(xiàn)在第10d，其值約為1.86MPa，并且發(fā)現(xiàn)整個過程中最大拉應力均小于混凝土的抗拉強度，說明在此時混凝土并未發(fā)生開裂。

圖3表示第二層混凝土澆筑后在Y方向的混凝土最大拉應力變化曲線圖，由圖（2）可知，待第二層混凝土澆筑后其最大拉應力在不斷增大，并且在第22d之后，其最大拉應力大于混凝土的抗拉強度，說明此時的混凝土表面出現(xiàn)了裂縫。

3 結語

為研究橋梁工程中大體積混凝土的溫度變化問題，根據(jù)橋梁工程中墩承臺混凝土澆筑的溫度變化問題結合ANSYS有限元軟件開展研究。通過研究發(fā)現(xiàn)，混凝土中溫度場大的部位主要位于中心部位，在混凝土側面及表面溫度會因與空氣對流將熱量帶走，中心部位的熱量無處散發(fā)，因此，在施工時應采取相應措施降低混凝土中心部位的溫度；并且發(fā)現(xiàn)第二次澆筑的混凝土對第一次澆筑的混凝土溫度場影響不大。因此，在進行混凝土澆筑時應盡可能地采用分層澆筑。從溫度應力分析上來看，混凝土澆筑時應控制好混凝土的入模溫度。