橋梁結(jié)構(gòu)大體積混凝土抗裂性能數(shù)值模擬

徐世達

[摘? 要]：大體積混凝土在橋梁結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用，其在澆筑過程中會產(chǎn)生水化熱會導(dǎo)致內(nèi)表溫度差，可能引起混凝土產(chǎn)生溫度裂縫，嚴(yán)重影響橋梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和耐久性。文章針對某跨海懸索橋塔塔柱大體積混凝土，采用有限元數(shù)值模擬方法，分析其在不同工況下的抗裂性能，計算結(jié)果表明：（1）在冷卻水水溫、混凝土入模溫度、氣溫相同的情況下，通過改變冷卻水水管間距可以顯著降低大體積混凝土內(nèi)部溫度，而在摻入抗裂劑后可進一步降低大體積混凝土內(nèi)部溫度;（2）在氣溫20 ℃條件下，采取摻加抗裂劑+冷卻水管間距1.0 m+入模溫度25 ℃+延長至7 d拆模的措施，可使得混凝土表面開裂風(fēng)險系數(shù)不大于0.7，表面基本不開裂，但混凝土中心開裂風(fēng)險系數(shù)僅能控制到不大于1.0，仍存在較大的中心開裂風(fēng)險;當(dāng)其他條件不變，將冷卻水管間距由1.0 m改為0.5 m時，混凝土表面開裂風(fēng)險系數(shù)將進一步降低，但是混凝土中心開裂風(fēng)險系數(shù)變化不大。

[關(guān)鍵詞]：大體積混凝土; 橋梁結(jié)構(gòu); 數(shù)值分析; 開裂風(fēng)險系數(shù)

TU 755.6+7A

大體積混凝土在橋梁結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用，特別是近年來大跨度跨海大橋的修建工程中，橋梁承臺、橋塔等結(jié)構(gòu)中均需采用大體積混凝土。但是由于大體積混凝土在澆筑過程中會產(chǎn)生水化熱，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度不斷升高，而表面溫度相對穩(wěn)定，進而引起內(nèi)表溫度差，可能引起混凝土產(chǎn)生溫度裂縫，嚴(yán)重影響橋梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和耐久性。因此，橋梁結(jié)構(gòu)大體積混凝土澆筑過程中如何控制溫度裂縫的產(chǎn)生是保障其質(zhì)量和耐久性的關(guān)鍵。目前，國內(nèi)外專家針對大體積混凝土的溫度控制措施和效果，采用有限元數(shù)值模擬方法進行了卓有成效的研究，如：賀云等[1]針對榕江大橋索塔承臺大體積混凝土，采用數(shù)值模擬方法分析了分層澆筑厚度、冷卻水溫度對大體積混凝土溫度的影響;丘新溪等[2]對大體積混凝土沉管進行了分析，得到了沉管大體積混凝土內(nèi)部的最高溫度及其位置;徐文等[3]、楊輝等[4]、蔣林華等[5]、張波[6]、魏煒[7]、王鳳娥等[8]、艾建杰等[9]、李開心等[10]分別針對具體橋梁大體積混凝土工程，通過數(shù)值模擬方法對其溫度場進行了模擬，探討了影響大體積混凝土溫度場分布的主要因素;周緣等[11]、李維洲等[12]則針對大體積混凝土中常用的冷卻水降溫措施，分析了冷卻水溫、水管管徑、通水流量等參數(shù)對大體積混凝土溫度場的影響，但是對于冷卻水管間距的影響未見報道。

鑒于此，本文以某跨海懸索橋橋塔為研究對象，通過有限元數(shù)值模擬方法研究大體積混凝土溫度場分布，分析冷卻水管間距、抗裂添加劑等因素對大體積混凝土抗裂的影響，為指導(dǎo)該橋梁結(jié)構(gòu)大體積混凝土澆筑施工提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 工程概況

某跨海橋梁工程全長約24 km，其中跨海段長為22.4 km，采用雙向8車道、設(shè)計時速100 km/h的高速公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其中控制性主通航孔橋為三跨懸索橋結(jié)構(gòu)，跨徑布置為邊跨580 m+主跨1 666 m+邊跨580 m，采用混凝土門式橋塔，塔高270 m，跨中橋面離海平面高度達90 m。主梁采用扁平式整體封閉鋼箱梁，梁寬49.7 m、高4 m。主纜采用高強鍍鋅鋁鋼絲（抗拉強度為2 060 MPa）。索塔樁基設(shè)計采用群樁基礎(chǔ)，單樁直徑為3 m，梅花形布置，設(shè)計樁長50～136 m。單個索塔由2個獨立的直徑36 m圓形承臺作為塔柱基礎(chǔ)。

該橋梁主要結(jié)構(gòu)形式包括錨錠錨體、主塔承臺、主塔塔身、過渡墩墩身等，均為大體積混凝土結(jié)構(gòu)，各主要結(jié)構(gòu)形式設(shè)計采用的混凝土強度等級如表1所示。

由于該橋梁結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜多變，混凝土耐久性要求高，原材料來源廣泛，施工季節(jié)跨度大，這些因素都給大體積混凝土的裂縫控制帶來了更高的難度。為保障其百年服役壽命，應(yīng)控制有害裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。對于大型懸索橋而言，主塔是其中開裂風(fēng)險系數(shù)最高的大體積混凝土結(jié)構(gòu)，下面將通過三維有限元數(shù)值模擬方法對主塔塔柱結(jié)構(gòu)進行建模，分析不同工況下橋梁主塔塔柱結(jié)構(gòu)大體積混凝土開裂風(fēng)險。

2 主塔塔柱工程結(jié)構(gòu)大體積混凝土開裂數(shù)值模擬

2.1 主塔塔柱結(jié)構(gòu)有限元模型

根據(jù)主塔塔柱幾何尺寸采用三維有限元方法建立主塔塔柱的典型幾何模型如圖1（a）所示，網(wǎng)格劃分后的塔柱模型如圖1（b）所示。需要說明的是，為了便于建模，在建立主塔塔柱幾何模型時忽略塔柱橫截面沿高度方向的變化。

2.2 混凝土物理力學(xué)參數(shù)取值和工況設(shè)計

數(shù)值模擬時大體積混凝土的物理力學(xué)參數(shù)取值如表2所示。

然后根據(jù)大體積混凝土開裂影響因素，選取冷卻水管間距和是否添加抗裂劑兩種主要因素設(shè)計了如表3所示2種組合工況。其中，工況1和工況2均考慮入模溫度為常溫時冷卻水管間距不同時的溫度場分布情況，同時對于上述2種工況，均分別考慮摻加和不摻加抗裂劑以及拆模時間分別為3 d和7 d的情況。

同時，為了監(jiān)測主塔塔柱大體積混凝土的溫度場，在塔柱不同高度位置水平內(nèi)設(shè)置了如圖2所示4個特征點，分別標(biāo)記為A1、A2、A3和A4。在此不同高度取值分別為0.25 m、2.75 m和6.0 m。

3 數(shù)值模擬計算結(jié)果

根據(jù)主塔塔柱三維有限元計算得到其典型溫度場云圖如圖3所示。根據(jù)云圖按照特征點取不同高度的水平橫截面圖，即可得到特征點處溫度隨齡期的變化曲線。下面將分別針對工況1和2介紹相應(yīng)的溫度場隨齡期的變化規(guī)律。為了便于分析，在此提取數(shù)據(jù)是僅針對圖2所示特征點，考慮溫度沿z軸不同位置高度的變化，同時考慮混凝土不同養(yǎng)護天數(shù)的影響，得到大體積混凝土隨養(yǎng)護齡期的變化規(guī)律曲線。其中，曲線中各圖例符號意義如下：REF代表基準(zhǔn)混凝土;HME代表摻加抗裂劑混凝土;CM代表拆模;JJ代表冷卻水管間距。

3.1 工況1計算結(jié)果

工況1條件下塔柱大體積混凝土各特征點溫度隨養(yǎng)護齡期的變化曲線如圖4所示。由圖可知：基準(zhǔn)混凝土內(nèi)部最高溫度約為55.7 ℃，出現(xiàn)在A3和A4特征點距離底部2.75 m的位置;而當(dāng)摻入抗裂劑后，混凝土內(nèi)部最高溫度可降低約4 ℃見圖4（h）、圖4（k）所示;當(dāng)混凝土拆模時間由3 d延長至7 d時，混凝土表面處的降溫速率顯著降低了見圖4（a）～圖4（c），但是其對混凝土內(nèi)部降溫速率的影響不明顯見圖4（d）～圖4（l）;同時對于同一特征點，結(jié)構(gòu)頂部位置混凝土降溫速率受拆模時間的影響要顯著大于結(jié)構(gòu)中部和底部位置見圖4（f），圖4（i）、圖4（l）。

3.2 工況2計算結(jié)果

工況2條件下塔柱大體積混凝土各特征點溫度隨養(yǎng)護齡期的變化曲線如圖5所示。由圖可知：基準(zhǔn)混凝土內(nèi)部最高溫度約為47 ℃，同樣出現(xiàn)在A2、A3和A4特征點距離底部2.75 m的位置，但是與工況一相比，混凝土內(nèi)部最高溫度下降了將近9 ℃;而當(dāng)摻入抗裂劑后，混凝土內(nèi)部最高溫度可進一步降低約4～5 ℃見圖5（e）、圖5（h）、圖5（k）;當(dāng)混凝土拆模時間由3 d延長至7 d時，混凝土表面處的降溫速率顯著降低了見圖5（a）～圖5（c）），但是其對混凝土內(nèi)部降溫速率的影響不明顯見圖5（d）～圖5（l）;同樣地，對于同一特征點，結(jié)構(gòu)頂部位置混凝土降溫速率受拆模時間的影響要顯著大于結(jié)構(gòu)中部和底部位置見圖5（f），圖5（i），圖5（l）。

在通過圖5和圖4對比分析可知：在其他條件不變的情況下，通過改變冷卻水水管間距可以顯著降低大體積混凝土內(nèi)部溫度，而在摻入抗裂劑后可進一步降低大體積混凝土內(nèi)部溫度。

4 大體積混凝土抗裂風(fēng)險評價

為了定量描述大體積混凝土開裂風(fēng)險，定義如下開裂風(fēng)險系數(shù)η，其表達式為：

η=σ（t）ft（t）（1）

式中：σ（t）為t時刻的混凝土最大拉應(yīng)力;ft（t）為t時刻的混凝土抗拉強度。

根據(jù)開裂風(fēng)險系數(shù)η評判混凝土開裂風(fēng)險的標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

通過提取大體積混凝土任意時刻的最大拉應(yīng)力數(shù)值及對應(yīng)的抗拉強度，按照式（1）計算相應(yīng)的開裂風(fēng)險系數(shù)η，可得到工況1和工況2條件下大體積混凝土開裂風(fēng)險系數(shù)隨時間變化曲線如圖6、圖7所示。由圖可知：

（1）在同一特征點垂直截面上，下部開裂風(fēng)險最大，頂部開裂風(fēng)險最小;在同一高度下，中心開裂風(fēng)險較表面高，但中心開裂風(fēng)險隨齡期的增加而增大，而表面最大開裂風(fēng)險出現(xiàn)在內(nèi)外溫差較大的早期或是降溫速率急劇增加的拆模時期，拆模時間的延長對內(nèi)部開裂風(fēng)險影響不大，但能夠顯著降低表面開裂風(fēng)險。

（2）工況1條件下，采用基準(zhǔn)混凝土中心最大開裂風(fēng)險為1.28，采用抗裂混凝土中心最大開裂風(fēng)險為1.0，開裂風(fēng)險降低了21.9%;同時對于表面點而言，當(dāng)拆模時間為3 d時，采用基準(zhǔn)混凝土最大開裂風(fēng)險為1.09，摻加抗裂劑后開裂風(fēng)險為0.89;而當(dāng)拆模時間延長至7 d時，基準(zhǔn)混凝土最大開裂風(fēng)險降低到0.87，摻加抗裂劑后開裂風(fēng)險進一步降低至0.68，低于0.7的控制閾值。

（3）工況2條件下，采用基準(zhǔn)混凝土中心最大開裂風(fēng)險為1.29，采用抗裂混凝土中心最大開裂風(fēng)險為1.06，開裂風(fēng)險降低了17.8%，但相較于水管間距為1.0 m 的工況，加密水管間距至0.5并未降低重心最大開裂風(fēng)險;對于表面點而言，當(dāng)拆模時間為3 d時，采用基準(zhǔn)混凝土最大開裂風(fēng)險為0.99，摻加抗裂劑后開裂風(fēng)險為0.77，較水管間距為1.0 m稍有降低;當(dāng)拆模時間延長至7 d時，基準(zhǔn)混凝土最大開裂風(fēng)險降低到0.88，摻加抗裂劑后開裂風(fēng)險進一步降低至0.67，低于0.7。

將工況1和工況2下大體積混凝土中心和表面開裂最大風(fēng)險系數(shù)結(jié)果匯總?cè)绫?所示。由表可知：在氣溫20 ℃的條件下，采取摻加抗裂劑+冷卻水管間距1.0 m+入模溫度25 ℃+延長至7 d拆模的措施，可使得混凝土表面開裂風(fēng)險系數(shù)不大于0.7，表面基本不開裂，但混凝土中心開裂風(fēng)險系數(shù)僅能控制到不大于1.0，仍存在較大的中心開裂風(fēng)險;當(dāng)其他條件不變，將冷卻水管間距由1.0 m改為0.5 m時，混凝土表面開裂風(fēng)險系數(shù)將進一步降低，但是混凝土中心開裂風(fēng)險系數(shù)變化不大;同時，在大體積混凝土中摻入抗裂劑，可以有效降低混凝土表面和中心點處的開裂風(fēng)險，延遲拆模時間也有同樣的效果。

需要說明的是，由于本文僅對冷卻水管間距、是否摻入抗裂劑以及拆模時間3個因素進行分析，未考慮入模溫度、氣溫和冷卻水溫度等因素的影響，這將是后續(xù)研究的重點。

5 結(jié)論

本文針對某跨海懸索橋塔塔柱大體積混凝土，采用有限元數(shù)值模擬方法，分析其在不同工況下的抗裂性能，主要研究結(jié)論如下：

（1）在冷卻水水溫、混凝土入模溫度、氣溫相同的情況下，通過改變冷卻水水管間距可以顯著降低大體積混凝土內(nèi)部溫度，而在摻入抗裂劑后可進一步降低大體積混凝土內(nèi)部溫度;

（2）在氣溫20 ℃的條件下，采取摻加抗裂劑+冷卻水管間距1.0 m+入模溫度25 ℃+延長至7 d拆模的措施，可使得混凝土表面開裂風(fēng)險系數(shù)不大于0.7，表面基本不開裂，但混凝土中心開裂風(fēng)險系數(shù)僅能控制到不大于1.0，仍存在較大的中心開裂風(fēng)險;當(dāng)其他條件不變，將冷卻水管間距由1.0 m改為0.5 m時，混凝土表面開裂風(fēng)險系數(shù)將進一步降低，但是混凝土中心開裂風(fēng)險系數(shù)變化不大。

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