基于有限元分析的碼頭胸墻控裂工藝優(yōu)化

李康，王炳

基于有限元分析的碼頭胸墻控裂工藝優(yōu)化

李康，王炳

（中交一航局第五工程有限公司，河北秦皇島066000）

為了減少或避免碼頭胸墻混凝土產(chǎn)生有害裂縫，探索應(yīng)用有限元軟件按照胸墻實(shí)際尺寸建立仿真分析模型，分別對(duì)碼頭胸墻不同分層分塊施工工藝進(jìn)行了仿真模擬分析。在對(duì)比分析溫度應(yīng)力變化情況的基礎(chǔ)上，研究確定了最優(yōu)的胸墻施工工藝。實(shí)踐結(jié)果表明，胸墻未出現(xiàn)有害裂縫，達(dá)到了預(yù)期的施工質(zhì)量及效率要求。

胸墻；溫度應(yīng)力；裂縫控制；施工工藝

1 工程概況

某碼頭裝船工程新建3.5萬(wàn)噸級(jí)裝船泊位1個(gè)，碼頭結(jié)構(gòu)為重力式沉箱結(jié)構(gòu)，共22個(gè)沉箱，碼頭上部為現(xiàn)澆C40混凝土胸墻結(jié)構(gòu)，總長(zhǎng)375 m，標(biāo)準(zhǔn)段長(zhǎng)度為18.4 m，高4.8 m，頂寬2.5 m，底寬12.3 m。C40混凝土配合比如表1所列。

表1 C40混凝土配合比Table 1C40 concrete mix ratio

碼頭胸墻結(jié)構(gòu)主要由胸墻主體、面層、現(xiàn)澆蓋板等組成，其斷面形式如圖1所示，胸墻結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。根據(jù)以往實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，胸墻結(jié)構(gòu)施工均采用分層分段結(jié)構(gòu)處理。分段長(zhǎng)度以10 m以內(nèi)為優(yōu)，分層位置以蓋板、主體及面層（護(hù)舷孔等）為準(zhǔn)則，具體需要考慮因素有：1）現(xiàn)澆胸墻的高度、長(zhǎng)度；2）護(hù)舷等靠船設(shè)施的品種、高度及數(shù)量；3）胸墻底部高程與施工水位的關(guān)系；4）胸墻混凝土澆筑工藝。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)段胸墻斷面圖Fig.1Sectional drawing of parapet at standard segment

圖2 胸墻結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2Structure diagram of parapet

為了找到有利于裂縫控制的最優(yōu)施工工藝，結(jié)合胸墻結(jié)構(gòu)形式，確定了4種胸墻澆筑施工工藝分析工況（見(jiàn)表2），每塊或?qū)拥臐仓┕r(shí)間間隔為4 d左右。

表2 胸墻澆筑施工工藝分析工況Table 2Analysis condition of parapet pouring construction process

2 胸墻施工工藝有限元仿真分析

通過(guò)應(yīng)用有限元軟件midas，建立胸墻有限元分析模型[1-2]，分別對(duì)胸墻4種澆筑工況進(jìn)行仿真模擬分析，從而找到合理高效的施工工藝。

2.1 有限元模型的建立

根據(jù)胸墻結(jié)構(gòu)實(shí)際尺寸建立有限元分析模型，并根據(jù)表1所列配合比水泥和粉煤灰的用量，膠凝材料水化熱折減系數(shù)取0.9[3]，折算后的水泥用量當(dāng)量值為391.5 kg，水泥水化熱按經(jīng)驗(yàn)值取為3 d：248.3 kJ/kg，7 d：305.6 kJ/kg。

胸墻施工工藝有限元仿真計(jì)算參數(shù)的取值如表3所示。大拉應(yīng)力最小，抗裂安全系數(shù)最大，但施工持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)；

2.2 澆筑工況有限元仿真分析結(jié)果

胸墻4種澆筑工況有限元仿真分析時(shí)長(zhǎng)均為30 d，分別對(duì)4種工況下的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算[4-6]。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，C40混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為2.39 MPa，粉煤灰對(duì)混凝土抗拉強(qiáng)度影響系數(shù)λ取1.03，分別計(jì)算胸墻4種工況下的混凝土抗裂安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

對(duì)上述4種工況計(jì)算結(jié)果分析如下：

1）工況一胸墻混凝土內(nèi)部最高溫度最低，最

表3 胸墻有限元仿真計(jì)算參數(shù)Table 3Finite element simulation calculation parameters of parapet

表4 胸墻4種澆筑工況有限元仿真分析結(jié)果Table 4Finite element simulation analysis results of four parapet pouring conditions

2）工況三雖然施工持續(xù)時(shí)間短，但胸墻混凝土內(nèi)部最高溫度最高，最大拉應(yīng)力最大，抗裂安全系數(shù)最小，對(duì)于裂縫控制非常不利；

3）工況一對(duì)裂縫控制效果最好，但將胸墻分四塊進(jìn)行施工，具有施工過(guò)程復(fù)雜、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等不利因素，施工效率最低。

綜上所述，擬采用工況二進(jìn)行施工。但抗裂安全系數(shù)僅為1.12，不滿足規(guī)范關(guān)于抗裂安全系數(shù)不小于1.15的規(guī)定，因此還需要進(jìn)一步采取裂縫控制技術(shù)措施，以達(dá)到防止開(kāi)裂的目的。

3 胸墻裂縫控制技術(shù)措施

綜合分析以上有限元計(jì)算結(jié)果，施工過(guò)程中進(jìn)一步采取如下具體裂縫控制技術(shù)措施：

3.1 溫度控制措施

1）設(shè)置散熱孔，散熱孔直徑為315 m，深度為4 000 mm，按1 500 mm間距設(shè)置，每段胸墻布置6個(gè)，如圖3所示；

圖3 散熱孔和測(cè)溫點(diǎn)布設(shè)平面圖Fig.3Layout of cooling hole and temperature measuring point

2）要求水泥入罐靜置至少24 h，待溫度降低后方可投入使用；

3）混凝土澆筑施工時(shí)間調(diào)整至夜間，避開(kāi)白天高溫時(shí)段；

4）對(duì)混凝土內(nèi)部溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

在每段胸墻分別布置2組測(cè)溫導(dǎo)線，每組設(shè)置3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，測(cè)溫點(diǎn)布設(shè)深度由上至下依次為0.5 m，2.25 m，4.0 m，布設(shè)位置如圖3所示。澆筑后3 d內(nèi)，前24 h每0.5 h觀測(cè)1次，24 h后每1 h觀測(cè)1次；澆筑3 d后，每2 h觀測(cè)1次；澆筑7 d后，每4 h觀測(cè)1次；混凝土的出機(jī)溫度和澆筑溫度每2 h觀測(cè)1次。當(dāng)混凝土表面溫度與大氣溫度接近，大氣溫度與混凝土中心溫度的溫差小于25℃時(shí)，可以停止測(cè)溫工作。

3.2 改進(jìn)混凝土攪拌工藝

改進(jìn)原有的混凝土攪拌工藝，即先向混凝土攪拌機(jī)內(nèi)依次投放砂、70%的拌合水及其它原材料，充分?jǐn)嚢韬?，再投放石子，最后加入剩余?0%拌合水進(jìn)行攪拌[6]。改進(jìn)后工藝主要優(yōu)點(diǎn)是混凝土沒(méi)有泌水現(xiàn)象，澆筑層強(qiáng)度差小，提高了混凝土的抗拉強(qiáng)度和極限拉伸值。

3.3 對(duì)混凝土進(jìn)行二次振搗

混凝土初凝前進(jìn)行二次振搗，能排除混凝土因泌水而在粗骨料、水平鋼筋下部生成的空隙，提高混凝土與鋼筋之間的握裹力，減少混凝土因沉落而出現(xiàn)的塑性裂縫，增加混凝土的密實(shí)度，提高混凝土的抗拉強(qiáng)度，從而達(dá)到減少混凝土開(kāi)裂的目的。

3.4 嚴(yán)格控制拆模時(shí)間

嚴(yán)格把握合理的拆模時(shí)間，避免出現(xiàn)因拆模時(shí)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度過(guò)低而出現(xiàn)的冷擊裂縫。合理的拆模時(shí)間應(yīng)根據(jù)混凝土表面溫度和環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)確定。

3.5 加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)

混凝土表面鋪設(shè)1層土工布并灑水充分潤(rùn)濕，然后再覆蓋1層塑料薄膜進(jìn)行保水養(yǎng)護(hù)，并在混凝土內(nèi)部降溫速率接近或超過(guò)2℃/d時(shí)圍裹棉被進(jìn)行保溫保濕養(yǎng)護(hù)?；炷帘耩B(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于14 d。

4 結(jié)語(yǔ)

碼頭胸墻結(jié)構(gòu)體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為確保施工質(zhì)量，施工前必須進(jìn)行溫度應(yīng)力驗(yàn)算，根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果來(lái)優(yōu)化施工工藝，并研究制定相應(yīng)的防裂技術(shù)措施。實(shí)踐結(jié)果表明，現(xiàn)澆胸墻未出現(xiàn)有害裂縫，研究思路是可行性的。

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Construction process optimization of pier parapet crack control based on finite element analysis

LI Kang,WANG Bing
（No.5 Engineering Co.,Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Qinhuangdao,Hebei 066000,China）

In order to reduce or avoid the harmful cracks in pier concrete,we used the finite element software to establish the simulation analysis model according to the actual size of the breast wall,and carried out simulation analysis on different layered block construction processes for wharf parapet respectively.On the basis of comparing and analyzing the change of temperature stress,we studied the optimum construction process of parapet.The results show that there is no harmful crack in the parapet to achieve the expected construction quality and efficiency requirements.

parapet;temperature stress;crack control;construction technology

U656.111

A

2095-7874（2017）08-0016-03

10.7640/zggwjs201708004

2017-03-21

2017-05-24

李康（1982—），男，四川南充人，工程師，從事港口、碼頭施工技術(shù)工作。E-mail：wxg58@126.com