大型桥梁承台水化热分析

大型桥梁承台水化热分析

马建

通号建设集团有限公司  湖南长沙  410000

摘要：

为了对大体积混凝土的温度控制的研究，用有限元程序MIDAS CIVIL[1]对特大桥承台进行温度场仿真分析，并且用分层浇筑法与水管冷却法对于大体积混凝土温度控制的优略进行讨论。计算表明：大体积混凝土施工时，由于水泥水化热的作用，造成混凝土表面与中心产生较大的温差，将导致混凝土产生裂缝。为了减小混凝土的内外温差，防止裂缝产生，在施工阶段时应采取温控措施；通过采用分层浇筑法和水管冷却法能够有效减小大体积混凝土的最高升温，减少裂缝的产生。

关键词：大体积混凝土；水化热；温度场

0引言

   在近几年来，我国桥梁发生了突飞猛进的发展，桥型也从以前的中小型桥梁逐渐发展到大型桥梁，大型的混凝土结构也越来越多，水化热的影响使混凝土结构膨胀，混凝土膨胀受到地基的约束，将出现压应力，但此时压应力不大，等达到最高温度后，通过热量不断向外界环境散发，混凝土会收缩，会产出拉应力，拉应力过大即会产生裂缝。通过有限元软件进行模拟，制定相关规避措施，避免因水化热产生大量裂缝影响混凝土的使用性能。

1工程背景

   项目背景为连续刚构桥，11#主墩为本桥最高墩、受力比较大，此承台要求比较高，且工程量最大，混凝土等级也较高。在进行温控方面，选用11#墩主承台编制施工组织设计以指导赫章特大桥所有大体积承台施工，这是很有意义的。11#墩材料配合比如表1。

表1 混凝土材料配合比

2 水化热温度场计算

  承台浇筑时间是冬季环境温度较低，需注意好保温养护，防止裂缝的产生。

2.1浇筑温度的研究

混凝土的浇筑温度可用下式进行计算[2]：

(1)

  式中：为浇筑温度；为入仓温度；为气温；为太阳辐射；为

表面放热系数；、分别为平仓前

后的温度系数。

通过MIDAS 分析不同浇筑温度对水化热的影响，按照10℃、20℃、30℃浇筑温度进行分析，分析结果表明浇筑温度越高，水化反应越快，因此必须控制好浇筑温度。

2.2分层浇筑法的研究

 按照混凝土不分成浇筑和分成浇筑两种方式进行模式得出中心点温度随时间变化的情况：

图1 不分层时承台中心温度曲线

    图2 分为四层各层中心温度曲线

曲线图可以看出整体浇筑时温度可达59℃，分四层浇筑后温度可降低到52℃。

由此可以看出分层可以有效降低混凝土承台的内部温度，内外温差明显减小，这样对于防止裂缝的发生有利。但由于分层浇筑对施工工期要求较长，且整体性可能受到影响等不利的缺点，因此工程上还常用布置冷却水管法。

2.3水管冷却方式的研究

影响水管冷却的因素主要有材质、直径、间距、布置方式、水温、流速等，下面在已有的基础上对水温进行改变。其中水温分别选取10℃、12℃、15℃观察其对承台的影响。

按照有无冷却水管，且水温10℃、15℃、20℃不同进行分析。

图3 不同温度下曲线图

无冷却水管情况最高温度超过58℃，有冷却水管时最高温度下降了12℃，不同入水温度的冷却水也会有影响，12℃以下的冷却水降温效果差异不大。

2.3 模型的建立

2.3.1 计算原理

   根据Fourier热传导理论，从朱伯芳的有限单元法解中可得到具有内部热源的承台瞬态场导热方程[2]：

    （2）

式中：为时间；为混凝土导热系数；为混凝土比热；为混凝土密度。

2.3.2 计算参数的选取

  C35混凝土的比热0.97kJ/(kg·℃)，导热系数取为9.7kJ/(m·h·℃)，外表面对流系数取为10kJ/(m2·h·℃)，热膨胀系数为1.0×10-5，泊松比为0.2。

2.3.3有限元模型建立

通过有限元法按照冷却水管布置及测点的需求建立了网格化模式。

图4 承台有限元模型

2.3.4 有限元计算结果

按照实际测点的布置在软件中进行模式计算，计算出相关理论值：

 图5 各测点温度曲线

 通过有限元模型分析其结果如下：

混凝土浇筑后随时间推移大致在75小时温度达到峰值，后续温度逐渐下降。

3 水化热温度场测试

3.1 测试方法

   为了较好的反应混凝土内部温度场的变化，采用在承台内部预埋温度元件。

3.2 布置方式

   元件的具体测点布置示意图如下：

图6 各测点元件布置

3.3 测试结果

  温度实际结果如下图所示：：

     图7 各测点温度实测曲线

从图中可以看出，赫章桥承台浇筑后内部温度上升迅速，当达到最高温后将维持一段时间，然后再缓慢下降。其中达到最高温度是在74h，温度为50.1℃。

4 结果比较与分析

   实际测量值和Midas模拟结果温度进行对比分析，如下图所示：

图8 承台中心测点温度实测与理论曲线

  从图中可以发现以下几个区别：

  第一：开始阶段实测值比理论值低。

  第二：实测最高值比理论值要高。

5 结论

  通过Midas软件分析结果与实测结果可以得到以下结论：

（1）大体积混凝土温度控制措施时，应注意适当降低混凝土的浇筑温度。 

（2）在冬季进行混凝土承台施工时，应注意承台的保温，特别是在水化升温达到最高温度后，不同的对流系数降温的速率不同，也有可能导致内外温差变化较大。

  （3）分层浇筑法对承台的温度控制

效果也很好，但是分层的厚度要考虑，且施工的工期会比较长。

  （4）在不同入水温度的冷却水下，对承台的水化热温升有控制的作用。

   （5）数值分析结果与实测结果之间的差别不是很大，且两者之间温度的发展趋势大致相同，由此可知利用MIDAS CIVIL能够较好的预测混凝土水化热的温度发展规律。并且大体积混凝土通过用冷却水管作为温控措施效果良好，通过合理布置冷却水管、通水温度等能够达到控制裂缝产生的效果。

参考文献（References）：

[1] 北京迈达斯技术有限公司.Midas/Civil 6.7.1技术资料[Z].2002.

[2] 朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制(第二版)[M].北京:中国水利水电出版社,2012.

[3] 王解军，卢二侠，李辉.大体积混凝土施工期的水化热温度场仿真分析[J].中外公路，2006,26（6）：159-165.