水化熱仿真模擬計(jì)算在大體積混凝土施工中的應(yīng)用

譚強(qiáng)

【摘? 要】結(jié)合S230安鄉(xiāng)長嶺大橋工程實(shí)際，通過采用水化熱仿真模擬計(jì)算、監(jiān)測及相應(yīng)的溫度控制措施，避免了大體積承臺(tái)混凝土施工期的溫度裂縫。該方法可以為大體積混凝土施工提供計(jì)算依據(jù)，為優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)、優(yōu)化冷卻水管布置提供計(jì)算依據(jù)，以達(dá)到提高施工質(zhì)量、降低風(fēng)險(xiǎn)的目的。

【Abstract】Combined with the engineering practice of the S230 Anxiang Changling Bridge， the temperature cracks in the mass bearing cap concrete during the construction period were avoided by using the hydration heat simulation calculation， monitoring and the corresponding temperature control measures. This method can provide the calculation basis for mass concrete construction， the optimization of mix design and the optimization of cooling water pipe layout， so as to achieve the purpose of? improving the construction quality and reduce the risk.

【關(guān)鍵詞】有限元分析;大體積混凝土;水化熱;溫度監(jiān)控

【Keywords】finite element analysis; mass concrete; hydration heat; temperature monitoring

【中圖分類號(hào)】TU20? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2020）02-0173-04

1 工程概況

S230安鄉(xiāng)長嶺大橋項(xiàng)目25#、26#墩屬（35m+60m+35m）跨堤連續(xù)梁主墩，群樁配承臺(tái)基礎(chǔ)，承臺(tái)寬18.6m，長8.6m，高3.5m，單個(gè)承臺(tái)C30混凝土559.86m3，設(shè)計(jì)圖紙分兩次進(jìn)行澆筑，為保證澆筑質(zhì)量及節(jié)省工期，采用一次澆筑完成，屬大體積混凝土施工。大體積混凝土由于水化熱作用，混凝土澆筑后將經(jīng)歷升溫期、降溫期和穩(wěn)定期三個(gè)階段。隨著溫度的變化，混凝土就會(huì)產(chǎn)生溫度變形，溫度變形在下部結(jié)構(gòu)和自身的約束之下將產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，如果溫度應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，混凝土就會(huì)開裂。因此，在施工前需要進(jìn)行水化熱分析、施工時(shí)進(jìn)行溫度監(jiān)控并采用一定的溫控措施。本文介紹針對(duì)于該橋承臺(tái)大體積混凝土水化熱仿真模擬，現(xiàn)場監(jiān)控及溫度控制措施，為同類工程提供有效參考。

2 計(jì)算依據(jù)與參數(shù)

混凝土澆筑后的溫度與水泥的水化熱溫升、混凝土的澆筑溫度和澆筑進(jìn)度、外界氣溫、表面保護(hù)、管冷布置等多種因素有關(guān)。溫度計(jì)算采用MIDAS/CIVIL有限元計(jì)算軟件，其計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性除了選擇恰當(dāng)?shù)挠?jì)算方法以外，還依賴于材質(zhì)參數(shù)的正確選取。根據(jù)以往的工程試驗(yàn)數(shù)據(jù)及混凝土的物理、熱學(xué)性能的經(jīng)驗(yàn)取值，進(jìn)行了溫控模擬計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果制定了溫控方案。

2.1 混凝土性能

2.1.1 混凝土配合比

該項(xiàng)目C30混凝土配合比如表1所示。

2.1.2 混凝土力學(xué)性能

C30承臺(tái)混凝土的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，7天、28天的強(qiáng)度如表2所示。

2.1.3 混凝土熱學(xué)性能

①混凝土的熱膨脹系數(shù)：混凝土的泊松比系數(shù)取為0.2，熱膨脹系數(shù)取為а=1×10-5（1/T）。

②混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)：參考《大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制》第2.4 節(jié)，初步估算承臺(tái)混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱?？紤]混凝土澆筑溫度20℃，故而，組成混凝土的各種材料參數(shù)采用《大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制》表2-4-3中21℃對(duì)應(yīng)的材料熱性能參數(shù)如表3所示。

C30混凝土的比熱為：（0.456×11.6+0.456×3.7+0.699×29.8+0.691×48.7+4.187×6.1+4.187×0.1）/100=0.874（kJ/kg·K）。

C30混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)為：（4.446×11.6+4.446×3.7+11.129×29.8+16.91×48.7+2.16×6.1+2.16×0.1）/100=12.37 kJ/（m·h·K）。

2.2 施工條件

①S230安鄉(xiāng)長嶺大橋位于湖南北部。25#、26#墩承臺(tái)施工于1～2月份施工。本次計(jì)算中，考慮承臺(tái)環(huán)境溫度取10℃，混凝土澆筑溫度取10℃，冷卻水流入溫度5℃，承臺(tái)基礎(chǔ)底面接觸土體的固定溫度10℃。

②承臺(tái)一次性澆筑完成。

2.3 邊界條件

計(jì)算承臺(tái)溫度時(shí)，取以下3種邊界條件：

①在承臺(tái)基礎(chǔ)底面與土體接觸，土體取固定溫度10℃。

②承臺(tái)各表面采用2cm土工布養(yǎng)護(hù)，查《大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制》表2-3-1可知，風(fēng)速為0（光滑）混凝土表面的放熱系數(shù)為β=18.46 kJ/（m2·h·K）;導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.1549kJ/（m·h·K）。則承臺(tái)頂面的等效放熱系數(shù)為：

βs=1/（1/β+h/λ）=1/（1/18.46+0.02/0.1549）=5.46kJ/（m2·h·K）

③承臺(tái)側(cè)面采用5mm鋼模板包裹養(yǎng)護(hù)，承查《大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制》表2-3-1 可知，風(fēng)速為0（光滑）混凝土表面的放熱系數(shù)為β=18.46kJ/（m2·h·K）;鋼材導(dǎo)熱系數(shù)λ=163.29kJ/（m·h·K）。則承臺(tái)頂面的等效放熱系數(shù)為：

βs=1/（1/β+h/λ）=1/（1/18.46+0.005/163.29）=18.44kJ/（m2·h·K）

④Hp = 4.75 v + 43.0（kcal/m2·hr·℃），其中，v：流速（cm/sec）單根冷卻水管（？準(zhǔn)48×2.5mm）的流量為2m3/h，則流速為38.3 cm/sec，即冷卻水的對(duì)流系數(shù)Hp=224.925kcal/（m2·hr·℃）=941.5 kJ/（m2·h·K）。

2.4 冷卻水管布置

參考S230大橋主橋承臺(tái)設(shè)計(jì)圖紙，采用以下冷卻水管布置原則：

①設(shè)置2層冷卻水管，按1.25+1+1.25分層布置。

②冷卻管按照設(shè)計(jì)要求，水管的尺寸為？準(zhǔn)50×2.5。

③單根冷卻管長度控制在120m 以內(nèi)。

④每根冷卻水管通水量不小于2m3/h。

⑤混凝土澆筑過程中，覆蓋一層通水冷卻一層，通水時(shí)間按設(shè)計(jì)要求連續(xù)通水12天。

3 仿真計(jì)算

溫控計(jì)算采用MIDAS/Civil有限元設(shè)計(jì)、分析軟件進(jìn)行建模計(jì)算。該計(jì)算能夠模擬混凝土實(shí)際施工過程，不僅考慮了混凝土的澆筑溫度、養(yǎng)護(hù)、保溫、管冷和混凝土的邊界條件，而且考慮了混凝土的彈性模量、自生體積變形、水化熱的散發(fā)規(guī)律等物理熱學(xué)性能[1]。

3.1 實(shí)體模型

MIDAS/Civil全部承臺(tái)與地基建模計(jì)算。模擬承臺(tái)底面混凝土與土體傳遞承臺(tái)熱量的過程，故將與承臺(tái)底面接觸土體厚取為2.7m（3×0.9m），標(biāo)號(hào)C30混凝土，賦予相應(yīng)的比熱和熱傳導(dǎo)率，這樣才能正確反映承臺(tái)混凝土的水化熱傳播過程。

3.2 最大溫升值

根據(jù)模型計(jì)算，分別對(duì)澆筑后6、12、18、24、30、36、42、48、54、60、72、84、96、108、120、132、144、156、168、192、216、240、264、288、312、336（h）進(jìn)行取值分析，承臺(tái)溫度云圖如圖1所示。

基于承臺(tái)各層溫度峰值云圖和溫度特征點(diǎn)時(shí)程圖，可得，承臺(tái)各層混凝土的溫度場特征參數(shù)如表4所示。

綜上所述，在承臺(tái)中布置的冷卻水管有效控制住承臺(tái)各層混凝土最大溫升，分析MIDAS/Civil計(jì)算所得溫度云圖和時(shí)程圖數(shù)據(jù)得出：承臺(tái)混凝土在14天內(nèi)最大溫升均小于50℃，滿足規(guī)范要求。

3.3 內(nèi)外溫差

根據(jù)模型計(jì)算，針對(duì)混凝土特殊性，采用將對(duì)比混凝土中心點(diǎn)和對(duì)應(yīng)表面點(diǎn)的溫度時(shí)程圖，判斷混凝土內(nèi)外溫差是否超過規(guī)范規(guī)定的25℃。

①根據(jù)溫度云圖，該項(xiàng)目承臺(tái)齡期為24h時(shí)，溫度最高點(diǎn)為13507，距離最近的承臺(tái)邊界點(diǎn)為15044。以上兩點(diǎn)的溫度時(shí)程圖如圖2所示。

最大內(nèi)外溫差為4.1℃，滿足規(guī)范要求。

②根據(jù)溫度云圖，該項(xiàng)目承臺(tái)齡期為12h時(shí)，溫度最高點(diǎn)為13101，距離最近的承臺(tái)邊界點(diǎn)為14638。以上兩點(diǎn)的溫度時(shí)程圖如圖3所示。

最大內(nèi)外溫差為3.97℃，滿足規(guī)范要求。

③根據(jù)溫度云圖，該項(xiàng)目承臺(tái)齡期為168h時(shí)，溫度最高點(diǎn)為13445，距離最近的承臺(tái)邊界點(diǎn)為14982。以上兩點(diǎn)的溫度時(shí)程圖如圖4所示。

最大內(nèi)外溫差為2.5℃，滿足規(guī)范要求。

3.4 應(yīng)力

在布設(shè)冷卻水管的前提下，根據(jù)MIDAS建模仿真計(jì)算，承臺(tái)24h、72h、168h、336h云圖，如圖5所示。

通過分析不同時(shí)間的承臺(tái)應(yīng)力云圖，找出不同時(shí)間承臺(tái)各層最大拉應(yīng)力單元，單元號(hào)分別為10912、14275、9479、9542，通過單元找出應(yīng)力特征點(diǎn)為：9939、13479、9991、8491，進(jìn)一步生成應(yīng)力特征點(diǎn)溫度應(yīng)力與容許抗拉應(yīng)力變化曲線如圖6所示。

可以看出，以上單元應(yīng)力特征點(diǎn)應(yīng)力均未能超過允許應(yīng)力。

采用 MIDAS/Civil對(duì)S230長嶺大橋25#、26#墩承臺(tái)建模計(jì)算，對(duì)其計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，可知，在承臺(tái)中布置的冷卻水管能起到預(yù)想的效果，設(shè)置的冷卻管是合理的、有效的，能夠有效控制在澆注承臺(tái)各層時(shí)所產(chǎn)生的水化熱。其中，混凝土內(nèi)部最高溫度為29.4℃，低于規(guī)范允許最高溫度50℃;內(nèi)外溫差也控制在25℃以內(nèi)，滿足規(guī)范要求;應(yīng)力最大的單元其拉應(yīng)力未能超過允許拉應(yīng)力。

4 施工建議

為了保證大體積混凝土質(zhì)量，在混凝土工程施工前，對(duì)施工階段大體積混凝土澆筑體的升溫峰值、內(nèi)外溫差及收縮應(yīng)力的試算外，還應(yīng)在施工過程中做好以下幾個(gè)方面。

①選擇合理的澆筑方式：宜選擇采用整體分層連續(xù)澆筑或推移式連續(xù)澆筑施工方式;澆筑宜從低端開始，沿長邊方向自一端向別一端進(jìn)行;當(dāng)混凝土供應(yīng)有保障時(shí)，應(yīng)多點(diǎn)同時(shí)澆筑。

②合理振搗：應(yīng)采用插入式振搗器進(jìn)行混凝土振搗;在混凝土初凝前對(duì)混凝土進(jìn)行二次振搗，排除混凝土因泌水在石子、鋼筋下部生成的水分和空隙，提高鋼筋與混凝土的握裹力，減少混凝土內(nèi)部細(xì)小裂縫，增加混凝土抗拉強(qiáng)度。

③控制混凝土的入模溫度：當(dāng)混凝土入模溫度超出試算時(shí)，可在攪拌用水中加入冰塊降溫，也可采用對(duì)骨料進(jìn)行灑水降溫的措施。

④大體積混凝土在澆筑完成后，澆筑面應(yīng)及時(shí)進(jìn)行二次抹壓處理，并及時(shí)進(jìn)行保溫保濕的養(yǎng)護(hù)，如側(cè)模須拆除，則應(yīng)在側(cè)模拆除后，包裹一層保溫材料后，及時(shí)回填。保濕保溫養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于14天。

5 結(jié)語

本文依托S230安鄉(xiāng)長嶺大橋?qū)嶋H為依據(jù)，通過采用MIDAS計(jì)算軟件對(duì)承臺(tái)水化熱進(jìn)行模擬計(jì)算，得出與實(shí)際相符的結(jié)論。該方法計(jì)算快捷，結(jié)論可靠，并可以用于調(diào)整溫控措失的計(jì)算依據(jù)，以達(dá)到節(jié)省施工成本的目的。

【參考文獻(xiàn)】

【1】JTG/T F50—2011公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].