混凝土橋臺(tái)水化熱仿真分析與裂縫處理

摘 要：【目的】針對(duì)混凝土橋臺(tái)臺(tái)身在施工期間產(chǎn)生豎向裂縫的問題，對(duì)該橋臺(tái)溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬?！痉椒ā客ㄟ^Midas FEA NX軟件，對(duì)臺(tái)身混凝土內(nèi)外部溫度、應(yīng)力進(jìn)行了水化熱仿真分析?！窘Y(jié)果】分析結(jié)果表明：臺(tái)身混凝土內(nèi)外部溫差較大，臺(tái)身混凝土外部拉應(yīng)力超出了實(shí)測(cè)抗拉強(qiáng)度（72～336 h）；將溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分析結(jié)果與該橋臺(tái)臺(tái)身實(shí)際裂縫情況進(jìn)行對(duì)比分析，找出了橋臺(tái)臺(tái)身開裂原因；將實(shí)測(cè)裂縫情況與仿真模擬結(jié)果對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)Midas FEA NX軟件可有效分析混凝土水化熱溫度、應(yīng)力變化情況?！窘Y(jié)論】結(jié)合該橋臺(tái)臺(tái)身裂縫情況與仿真分析結(jié)果，對(duì)該橋臺(tái)臺(tái)身的裂縫提出了相應(yīng)的處置建議，并在裂縫處理完成約半年之后對(duì)裂縫進(jìn)行了復(fù)查，發(fā)現(xiàn)其表面穩(wěn)定，未有擴(kuò)展現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：混凝土橋臺(tái)；大體積混凝土；混凝土水化熱

中圖分類號(hào)：U44? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1003-5168（2023）08-0057-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.08.011

Simulation Analysis of Hydration Heat of Concrete Abutment and Crack Treatment

ZHANG Zhi

（Local Highway Management Section of Xinping County， Yuxi City， Yunnan Province， Yuxi 653499， China）

Abstract：[Purposes] In order to analyze the problem of vertical cracks in the concrete abutment body during construction， the temperature and stress fields of the abutment were numerically simulated. [Methods] The hydration heat simulation analysis of the internal and external temperature and stress of the abutment body concrete was conducted through Midas FEA NX software. [Findings] The analysis results show that the temperature difference between the inside and outside of the abutment concrete is large， and the external tensile stress of the abutment concrete exceeds the measured tensile strength （72～336 h）; The analysis results of temperature field， stress field and the actual cracks of the abutment body are analyzed to find out the reasons for the cracks of the abutment body; by comparing the measured cracks with the simulation results， it is found that the Midas/FEA NX can effectively analyze the temperature and stress changes of concrete hydration heat. [Conclusions] Combined with the cracks of the abutment body and the simulation analysis results， the corresponding disposal suggestions are put forward for the cracks of the abutment body. About half a year after the crack treatment， the cracks are rechecked， and the surface of the cracks is stable without expansion.

Keywords：concrete abutment; mass concrete; hydration heat of concrete

0 引言

重力式橋臺(tái)依靠自身重量來平衡外力保持穩(wěn)定，適用于地基良好的橋梁。在目前的施工中，通常采用混凝土澆筑基礎(chǔ)和臺(tái)身，此施工方式可節(jié)約鋼筋，便于就地取材，在橋梁工程中得到了廣泛應(yīng)用［1］?；炷林亓κ綐蚺_(tái)雖然具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但其截面尺寸較大，施工過程中混凝土的水化熱作用明顯，加上混凝土收縮、環(huán)境溫濕度變化等因素的影響，容易出現(xiàn)裂縫［2］。

本研究以某臺(tái)身開裂的混凝土重力式橋臺(tái)為依托，對(duì)臺(tái)身裂縫情況進(jìn)行了調(diào)查分析，并且采用有限元分析方法，對(duì)臺(tái)身澆筑時(shí)的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬，分析其對(duì)臺(tái)身開裂的影響，并提出相應(yīng)的處理措施，為同類型的工程事故處理提供參考。

1 工程背景

新河橋0#橋臺(tái)為重力式一字型橋臺(tái)、承臺(tái)接鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋臺(tái)長(zhǎng)L=56.56 m，承臺(tái)厚2.0 m， 樁間距均為 6.0 m，樁徑為 1.6 m，橋臺(tái)前排樁長(zhǎng)為40 m，后排樁長(zhǎng)為35 m。臺(tái)身高為4.0 m，臺(tái)身澆筑時(shí)分成上、下兩模澆筑。臺(tái)身第一模澆筑日期為7月14日，第二模澆筑日期為8月3日。臺(tái)身第二模澆筑完成后，施工單位發(fā)現(xiàn)臺(tái)身前墻存在2條豎向裂縫，位于橋臺(tái)長(zhǎng)度方向的3L/5與7L/10處。裂縫出現(xiàn)后，為分析裂縫成因，檢測(cè)單位采用裂縫綜合測(cè)試儀對(duì)裂縫進(jìn)行了寬度和深度檢測(cè)，測(cè)得的裂縫信息見表1。

2 臺(tái)身水化熱效應(yīng)仿真模擬

本項(xiàng)目中的臺(tái)身為梯形截面，上寬1.70 m，下寬3.03 m，高4.00 m，澆筑時(shí)分兩層澆筑，每層2 m，因尺寸較大，屬于大體積混凝土的范疇（單邊尺寸≥50 cm）［3］。為了量化分析水化熱效應(yīng)對(duì)臺(tái)身開裂的影響，采用Midas FEA NX通用有限元分析軟件進(jìn)行建模，對(duì)臺(tái)身澆筑過程的水化熱效應(yīng)進(jìn)行模擬分析。

2.1 計(jì)算參數(shù)

該臺(tái)身混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30，水泥為P.O42.5，混凝土配合比見表2。混凝土導(dǎo)熱系數(shù)與比熱容可根據(jù)混凝土配合比（見表2）、主要材料的熱工性能（見表3）和材料的比熱容性能（見表4）按式（1）和（2）計(jì)算［4］。計(jì)算結(jié)果：比熱系數(shù)為0.949 kJ/（kg·℃）；傳導(dǎo)率為9.04 kJ/（m·hr·℃）。

[λ=1pp1λ1+p2λ2+p3λ3+p4λ4+p5λ5] （1）

[C=1pp1C1+p2C2+p3C3+p4C4+p5C5] （2）

式中：[λ]為比熱系數(shù)；[C]為傳導(dǎo)率；[p]、[p1]、[p2]、[p3]、[p4]、[p5]分別為混凝土、水泥、砂、石、水、粉煤灰的質(zhì)量占比；[λ1、λ2、λ3、λ4、λ5]分別為混凝土、水泥、砂、石、水的熱傳導(dǎo)系數(shù)，m/K；[C1]、[C2]、[C3]、[C4]、[C5]分別為混凝土、水泥、砂、石子、水、粉煤灰的導(dǎo)熱系數(shù)，kJ/（kg ·K）。

《建筑施工計(jì)算手冊(cè)》［5］給出了混凝土絕熱與升溫的計(jì)算公式如式（3）、式（4），即先得到粉煤灰的密度參量，根據(jù)規(guī)范取值水化熱的調(diào)整系數(shù)［8］，算出每千克水泥水化熱總量，最后得到混凝土絕熱溫升值，計(jì)算結(jié)果見表5。

[T=mcQCρ] （3）

[Tt=mcQCρ1-e-mt] （4）

式中：[T（t）]為混凝土的絕熱溫升值；[mc]為每立方米混凝土水泥用量，kg/[m3]；Q為每千克水泥水化熱量，J/Kg；C為混凝土比熱容，根據(jù)規(guī)范［5］一般取0.96 kJ/kg·K；[ρ]為混凝土的質(zhì)量密度，根據(jù)規(guī)范［6］本研究取2 400 kg/[m3]；e為常數(shù)2.718；m為反應(yīng)速度系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值，根據(jù)規(guī)范［7］，本研究取值0.015 0；T為絕熱溫升起值。

根據(jù)該項(xiàng)目施工工期及經(jīng)驗(yàn)，確定混凝土入模溫度為20 ℃，環(huán)境溫度為20 ℃。承臺(tái)所處的地區(qū)風(fēng)速為2 m/s，在實(shí)際施工過程中，承臺(tái)表面覆蓋有木模板，其導(dǎo)熱系數(shù)為 0.14 kJ/m·℃，厚度為0.02 m。承臺(tái)表面覆蓋有模板等材料后，按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到臺(tái)身表面的邊界對(duì)流系數(shù)為6.91 kJ/（m2·h·℃）。

利用有限元軟件Midas FEA NX對(duì)該承臺(tái)的水化熱效應(yīng)進(jìn)行建模分析，有限元模型如圖1所示。

2.2 溫度分析結(jié)果

對(duì)橋臺(tái)臺(tái)身混凝土進(jìn)行了溫度場(chǎng)分析，結(jié)果如圖2至圖4所示。由溫度云圖可知，混凝土澆筑后，橋臺(tái)臺(tái)身結(jié)構(gòu)中心部分的溫度比表層混凝土溫度高，臺(tái)身中部混凝土溫度比兩端混凝土溫度高?；炷翝仓?20 h 后臺(tái)身縱向3L/5、7L/10處中心溫度達(dá)到最高值69.752 ℃、69.673 ℃；在混凝土澆筑后160 h，3L/5、7L/10處內(nèi)外部溫度差達(dá)到最高值28.882 ℃、26.707 ℃，已超過《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/TF 50—2011）［7］中“大體積混凝土的養(yǎng)護(hù)溫差不宜超過 25 ℃”的規(guī)定。

該模型考慮了模板對(duì)混凝土表面散熱的影響，混凝土內(nèi)部升溫在120 h達(dá)到峰值，混凝土表面升溫較大且高于環(huán)境溫度，溫度上升最高為49.752 ℃，基本滿足《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG /T F50—2011）中的“大體積混凝土澆筑體在入模溫度基礎(chǔ)上的溫升值不宜大于50 ℃”的規(guī)定。

2.3 應(yīng)力分析結(jié)果

外部混凝土呈受拉狀態(tài)、內(nèi)部混凝土則為受壓狀態(tài)，如圖5所示。應(yīng)力分析結(jié)果表明，混凝土澆筑初期，橋臺(tái)前墻出現(xiàn)的較大拉應(yīng)力為1.75 MPa，混凝土澆筑120 h后拉應(yīng)力值達(dá)到峰值2.73 MPa。

為了求得混凝土的實(shí)際抗拉強(qiáng)度，對(duì)C30混凝土實(shí)測(cè)了3 d、7 d、14 d和28 d的劈裂抗拉強(qiáng)度，實(shí)測(cè)強(qiáng)度混凝土臺(tái)身表面應(yīng)力的比較如圖6所示。由圖6可知，在72～336 h時(shí)間范圍內(nèi)，水化熱在表面產(chǎn)生的混凝土拉應(yīng)力超過了混凝土的實(shí)測(cè)抗拉強(qiáng)度。

3 裂縫成因分析與處治

3.1 裂縫成因分析

混凝土裂縫從形成原因上可分為受力裂縫和非受力裂縫兩大類［8］。受力裂縫是指由荷載作用所產(chǎn)生的裂縫；非受力裂縫是指由于混凝土收縮、溫度變形等受到約束所產(chǎn)生的裂縫。從荷載作用的角度來分析，本項(xiàng)目中橋臺(tái)可能的荷載作用主要有兩方面：一是樁基礎(chǔ)的不均勻沉降；二是臺(tái)背土壓力的水平力作用。

從力學(xué)簡(jiǎn)化來看，樁基以上的承臺(tái)、臺(tái)身和臺(tái)帽可視為一個(gè)沿橋梁橫向的彈性支承連續(xù)梁，當(dāng)樁基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻沉降時(shí)，會(huì)在連續(xù)梁中產(chǎn)生彎矩和剪力，從而產(chǎn)生彎曲正應(yīng)力和豎向剪應(yīng)力，裂縫的形成方向會(huì)垂直于主拉應(yīng)力方向（由彎曲正應(yīng)力和豎向剪應(yīng)力合成），裂縫通常呈現(xiàn)斜裂縫的特征，與本項(xiàng)目中裂縫呈豎向的現(xiàn)象不符，因此，本項(xiàng)目橋臺(tái)裂縫可以排除樁基不均勻沉降的原因。

當(dāng)臺(tái)背土壓力過大時(shí)，將水平擠壓臺(tái)身，使臺(tái)身向外鼓凸，從而產(chǎn)生豎向裂縫，本項(xiàng)目中臺(tái)身厚度很大，臺(tái)身向外鼓凸的可能性不大，即使假定豎向裂縫是由于水平土壓力向外擠壓所致，裂縫應(yīng)主要分布于橋臺(tái)臺(tái)身靠近1#墩方向一側(cè)，橋臺(tái)豎向裂縫理應(yīng)向臺(tái)帽或臺(tái)身第一模延伸，而本項(xiàng)目中兩條臺(tái)身豎向裂縫恰好僅僅分布于第二模范圍內(nèi)（2～4 m高度）。因此，本項(xiàng)目橋臺(tái)裂縫可以排除臺(tái)背土壓力過大的原因。

由2.3節(jié)的分析可知，在72～336 h時(shí)間范圍內(nèi)，水化熱在表面產(chǎn)生的混凝土拉應(yīng)力超過了混凝土的實(shí)測(cè)抗拉強(qiáng)度。因此，臺(tái)身在水化熱內(nèi)外溫差作用下產(chǎn)生的表面拉應(yīng)力，是臺(tái)身出現(xiàn)豎向裂縫的主要原因。

3.2 裂縫處治效果

通過裂縫檢測(cè)和成因分析，新河橋0#橋臺(tái)臺(tái)身裂縫是由于水泥水化熱影響造成的淺表性早期非受力裂縫。由于橋臺(tái)以豎向受壓為主，裂縫對(duì)橋臺(tái)受力的影響可以忽略，但裂縫過寬，可能對(duì)耐久性造成影響。

為了減小裂縫對(duì)混凝土耐久性的可能影響，采用裂縫修補(bǔ)膠對(duì)裂縫進(jìn)行了灌注處理。裂縫處理完成約半年之后，對(duì)裂縫進(jìn)行了復(fù)查，裂縫表面穩(wěn)定，未有擴(kuò)展現(xiàn)象，說明裂縫的成因分析和處治措施得當(dāng)。

4 結(jié)語

本研究依托新河橋0#臺(tái)出現(xiàn)臺(tái)身豎向裂縫的工程實(shí)例，對(duì)臺(tái)身澆筑過程的水化熱進(jìn)行分析，并對(duì)裂縫成因進(jìn)行分析，排除了樁基礎(chǔ)不均勻沉降和臺(tái)背土壓力可能性，確定水化熱內(nèi)外溫差作用所產(chǎn)生的混凝土表面拉應(yīng)力是出現(xiàn)臺(tái)身豎向裂縫的主要原因。根據(jù)裂縫成因分析，提出對(duì)裂縫進(jìn)行灌縫處理的方案，處理效果良好。

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收稿日期：2023-01-06

作者簡(jiǎn)介：張智（1987—），男，本科，工程師，研究方向：公路橋梁養(yǎng)護(hù)管理。