基于MIDAS模型的錨碇大體積混凝土溫度控制研究

李浩弘 王晉偉(蘭州理工大學 甘肅省土木工程防災減災重點實驗室，甘肅 蘭州 730050)

1 引 言

隨著西部大開發(fā)的進一步深入，西部山區(qū)高速鐵路、橋梁的建設發(fā)展，大錨碇橋梁結構在橋梁建設中得到了廣泛的應用。為了滿足大跨度橋梁結構承載力、剛度、穩(wěn)定性等方面的要求，其錨碇構件往往具有較大的尺寸。據(jù)已有的實測資料表明，體積相對較大的錨碇，水泥在水化熱過程中內部溫度可高70℃以上。水泥的水化作用可引起混凝土內部溫度迅速上升，但是混凝土的導熱性較差，導致熱量積聚在內部不易散失，使得大體積混凝土內外溫差較大，從而導致大體積混凝土產(chǎn)生大面積溫度裂縫[2]，影響結構的正常使用。隨著大體積混凝土在大跨橋梁中的廣泛應用，混凝土的水化熱問題已成為當今建筑業(yè)不可避免的問題。

本文通過甘肅某特大橋工程進行大體積混凝土溫度試驗及現(xiàn)場監(jiān)測，從有效控制內部溫度出發(fā)，明確了大體積混凝土測溫點設置的基本原則，并對大體積混凝土施工過程溫度控制進行了研究，解決了大體積混凝土由于溫度原因產(chǎn)生的大面積溫度裂縫問題。

2 模型建立

2.1 工程概況

甘肅某黃河特大橋屬于甘肅省重點工程，本工程為1536m單跨型鋼桁加勁梁式懸索橋，引道工程包括大橋264米/2座(5-25m預應力混凝土連續(xù)箱梁)，小橋38.04米/1座(2-13m鋼筋混凝土簡支空心板)，以及部分路基填挖方工程和西錨碇附近的觀景臺土方開挖施工工程。

大橋東、西錨碇采用重力錨，錨體分錨塊、散索鞍墩及基礎、前錨室、后錨室四部分。其中錨塊主要受預應力錨固系統(tǒng)傳遞的主纜索股拉力，散索鞍支墩主要承受由散索鞍傳遞的主纜壓力，前錨室、散索鞍墩及錨塊形成一個三角框架式空間受力構件。錨塊體采用C40混凝土，其他均為普通C30混凝土。

2.2 計算模型

利用MIDAS/CIVIL對某黃河特大橋錨碇大體積混凝土在自然冷卻下分層澆筑的溫度場和應力場進行有限元仿真模擬。由于錨碇混凝土屬于對稱結構，本次模擬取A、B區(qū)1/2混凝土進行分析，同時考慮混凝土徐變收縮對混凝土應力的影響。根據(jù)本工程的澆筑方案，分層澆筑間歇時間為7天。具體節(jié)點單元總數(shù)見表2，單元網(wǎng)格模型如圖1所示。

圖1 混凝土有限元網(wǎng)格模型

2.3 計算分析

由圖2仿真模擬結果表明，錨碇混凝土分層最高溫度為等值線分布，同時溫度的最大值一般出現(xiàn)在每層的中心位置。

表1 使用材料以及熱學特性值

表2 節(jié)點單元數(shù)

圖2 混凝土分層最高溫度等直線圖

3 溫度、應力分析研究

混凝土防裂的關鍵是控制最大主拉應力。對于溫度應力而言，最大主拉應力一般出現(xiàn)在上下層接觸處，故取每層上表面中心點處的的溫度和應力進行分析。由于大橋錨碇A區(qū)、B區(qū)存在差異，本次模擬對A區(qū)、B區(qū)進行分別研究。由于A區(qū)斜坡第一層澆筑量小、溫度不高，故不考慮混凝土開裂的可能性，所以對斜坡第一層不進行溫度應力分析；由圖3(b)可知，B區(qū)錨碇的基礎部分溫度比錨塊部分溫度高，所以取基礎部分進行溫度應力分析。溫度應力分析見圖3。

(a) A區(qū)每層內部中心點溫度歷時曲線

(b) B區(qū)每層內部中心點溫度歷時曲線

(c) A區(qū)每層上表面中心點溫度歷時曲線

圖3 每層中心點溫度歷時曲線

3.1 溫度結果分析

通過對圖3分析可知，每層混凝土澆筑完后40h左右內部中心點溫度達到最大值，隨后隨混凝土表面熱量的散發(fā)，混凝土溫度慢慢下降。在對新一層混凝土澆筑后，由于新澆筑混凝土的水化作用，下部混凝土溫度有回升現(xiàn)象，其中每層內部中心點的溫度回升在3 ～5℃左右，影響不大。但對每層混凝土接觸表面中心點的溫度影響較大，使其回升在31℃左右。由表3可知，錨碇A區(qū)內部中心溫度最高值為67.16℃，B區(qū)為68.01℃，當內部中心溫度達到最大值時，內外溫差超過了25℃，超過了《公路橋涵施工技術規(guī)范》中大體積混凝土內表溫差不超過25℃的規(guī)定[3]。

3.2 應力結果分析

(a) A區(qū)每層內部中心點應力和容許

(b) B區(qū)每層內部中心點應力和容許抗拉強度歷時曲線

(c) A區(qū)每層上表面中心點應力和容許抗拉強度歷時曲線

表3 錨塊內部中心和表面中心最高溫度值

圖4 中心點應力和容許抗拉強度歷時曲線

由圖4分析可知，應力會隨著溫度的變化而變化，最后隨著時間的增加而趨于穩(wěn)定。對于大部分混凝土澆筑層，當應力達到最大值時，超過了該層的容許抗拉強度，所以混凝土開裂的可能性非常大[4]。

4 結 語

根據(jù)MIDAS/CIVI模擬的結果得出在自然冷卻下分層澆筑的施工過程中，最高溫度出現(xiàn)的時間、位置、最高溫度值及最大應力和相應的容許抗拉強度值。通過分析研究可知本工程采用間隔7天分層澆筑和自然冷卻的方法無法滿足大體積混凝土施工的抗裂要求，影響大體積混凝土的完整性及耐久性。所以在該工程實際的施工過程中應采用分層澆筑和水管冷卻的方法控制大體積混凝土內部的溫度。并根據(jù)模擬結果可知冷卻水管布置位置及間距，為本次特大橋錨碇大體積混凝土的施工提供了理論指導。

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