橋梁工程中大體積混凝土溫度變化淺議

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摘要：為研究橋梁工程中大體積混凝土的溫度變化問(wèn)題，根據(jù)實(shí)際工程結(jié)合ANSYS有限元軟件進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：混凝土中溫度場(chǎng)大的部位為中心部位；發(fā)現(xiàn)第二次澆筑的混凝土對(duì)第一次澆筑的混凝土溫度場(chǎng)影響不大，因此，在進(jìn)行混凝土澆筑時(shí)應(yīng)盡可能地采用分層澆筑；從溫度應(yīng)力分析上來(lái)看，在進(jìn)行混凝土澆筑時(shí)應(yīng)控制好混凝土的入模溫度。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；大體積混凝土；溫度裂縫；有限元軟件

0引言

混凝土是一種不導(dǎo)溫的材料，在澆筑時(shí)因水化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量不易散發(fā)而在內(nèi)部形成溫度應(yīng)力，該應(yīng)力的存在容易使混凝土產(chǎn)生裂縫，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的安全。近年來(lái)，隨著交通建筑業(yè)的快速發(fā)展，橋梁工程中的大型橋梁在不斷增多，伴隨著大體積混凝土的澆筑施工帶來(lái)的水化熱問(wèn)題也引起了人們的關(guān)注，大體積混凝土因澆筑混凝土的量更多，體型更大，出現(xiàn)裂縫的概率更大。為此，本文結(jié)合橋梁工程中大體積混凝土的溫度變化問(wèn)題，根據(jù)實(shí)際的橋梁工程結(jié)合ANSYS有限元軟件開(kāi)展研究。

1工程概況

本工程為一座跨海大橋，其墩承臺(tái)中存在大體積混凝土的溫度裂縫問(wèn)題，大橋的墩承臺(tái)平面尺寸為59.08m×27.78m，形狀為長(zhǎng)六邊形，承臺(tái)的厚度為6m。采用C40強(qiáng)度等級(jí)的防腐抗凍高性能混凝土進(jìn)行墩承臺(tái)澆筑，總的承臺(tái)澆筑混凝土用量為8511.6m3，本次澆筑正處于冬季，日平均氣溫較低，為保證混凝土質(zhì)量，分為兩次進(jìn)行澆筑，每次澆筑的高度為3m，關(guān)于C40混凝土的配合比及原料情況如表1所示。

2有限元分析

利用ANSYS有限元軟件建立與實(shí)際情況相似的三維模型，對(duì)墩承臺(tái)的溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值分析。采用ANSYS有限元軟件的原因是其建模簡(jiǎn)單、計(jì)算功能較為強(qiáng)大。

2.1模擬的建立

模擬時(shí)對(duì)有限元軟件中的模型進(jìn)行假定，具體的假定如下所示：（1）假定模型中的混凝土為均勻質(zhì)體，即假定所設(shè)的材料為各項(xiàng)同性質(zhì)材料。（2）假定在同一層澆筑的混凝土的彈性模型及初始溫度相同。（3）假定在設(shè)置邊界條件時(shí)不考慮其對(duì)模型的影響，即假定同一個(gè)約束面的約束一致。（4）假定混凝土內(nèi)部的鋼筋不起影響作用。本次建模時(shí)設(shè)置熱學(xué)參數(shù)、澆筑溫度、對(duì)流邊界條件及環(huán)境溫度等因素。結(jié)構(gòu)采用六面體八節(jié)點(diǎn)的單元，進(jìn)行熱分析時(shí)采用SOLID70單元進(jìn)行分析。對(duì)模型的溫度邊界條件進(jìn)行設(shè)置，對(duì)模型的墊層底面將結(jié)點(diǎn)的溫度設(shè)置為恒等于土壤的溫度（5℃），將澆筑面積承臺(tái)的側(cè)面設(shè)置為15℃（表面的放熱系數(shù)為23.9），將承臺(tái)側(cè)初始澆筑時(shí)的溫度設(shè)置為10℃。

2.2施工順序模擬

對(duì)實(shí)際工程的施工順序進(jìn)行模擬，首先進(jìn)行第一層混凝土的澆筑，即0～3m混凝土的澆筑模擬，主要通過(guò)控制ANSYS軟件中對(duì)單元生與死的宏命令來(lái)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)參數(shù)邊界條件及初始條件的變化。因?yàn)樵谀M中已對(duì)澆筑層進(jìn)行劃分，所以只需激活相應(yīng)層的單元即可表示一層混凝土的澆筑完成；然后進(jìn)行間歇，間歇時(shí)間為16d，接著再進(jìn)行第二層混凝土澆筑的模擬，即3～6m層混凝土，具體的模擬過(guò)程同前；最后再進(jìn)行間歇來(lái)模擬混凝土的養(yǎng)護(hù)。在整個(gè)溫度場(chǎng)的計(jì)算中，水泥的水化熱作為主要的溫度荷載施加在已被激活的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上來(lái)完成模擬計(jì)算。

2.3模擬的結(jié)果分析

（1）墩承臺(tái)溫度場(chǎng)的分析對(duì)兩次澆筑的中心及表面點(diǎn)取點(diǎn)進(jìn)行溫度場(chǎng)分析并繪制曲線，具體結(jié)果如圖1所示。由圖1（a）可知，最初不論是表面上的點(diǎn)還是中心位置的點(diǎn)，其溫度都在澆筑開(kāi)始之后迅速增大，并且都達(dá)到最大值。其中，中心點(diǎn)約在第5d出現(xiàn)溫度最大值，約為39℃，表面點(diǎn)約出現(xiàn)在第3d，溫度最大值約為26℃。后面隨著澆筑的完成溫度慢慢下降。對(duì)比兩條曲線也可以發(fā)現(xiàn)在中心點(diǎn)位置的溫度較高，而側(cè)面及澆筑面的溫度較低，出現(xiàn)這樣的情況主要是因?yàn)榛炷潦遣粚?dǎo)熱的材料，在中心處散熱較慢，而表面及側(cè)面有空氣流動(dòng)進(jìn)行熱流交換，可以帶走混凝土的表面溫度，因此，其溫度降低較快，溫度較低。圖1（b）為兩層混凝土都澆筑完后混凝土中的某些點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線圖，由圖1（b）可知，承臺(tái)頂面中心點(diǎn)A的溫度變化較快，主要由于該點(diǎn)位于承臺(tái)頂面，空氣對(duì)流較快，可以很快地帶走表面的溫度，因此出現(xiàn)曲線變化快的特點(diǎn)。承臺(tái)的中心點(diǎn)B及第二層混凝土中心D均出現(xiàn)兩個(gè)峰值。第一個(gè)溫度最大值約出現(xiàn)在第一層澆筑后第5d，溫度值約為27℃，隨后由于空氣對(duì)流帶走熱量，溫度開(kāi)始下降。第二次的溫度最大值出現(xiàn)在第二層混凝土澆筑完成后的第3d，其溫度值約為38℃及47℃，隨后各點(diǎn)的溫度均開(kāi)始下降，B曲線第二次峰值的出現(xiàn)主要是由于第二層混凝土的澆筑，阻斷了其中心混凝土熱量的散發(fā)；C曲線為第一層混凝土的中心，只出現(xiàn)一次溫度最大值，說(shuō)明第二次混凝土的澆筑對(duì)第一層的混凝土溫度影響較小。（2）墩承臺(tái)溫度應(yīng)力分析對(duì)兩次澆筑取點(diǎn)進(jìn)行溫度應(yīng)力分析，具體的結(jié)果如圖2、圖3所示。圖2表示第一層混凝土澆筑后在X向及Z向的混凝土最大拉應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線圖，由圖（2）可知，隨著模型中混凝土內(nèi)外溫差的變化，其最大拉應(yīng)力出現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，最大的拉應(yīng)力約出現(xiàn)在第10d，其值約為1.86MPa，并且發(fā)現(xiàn)整個(gè)過(guò)程中最大拉應(yīng)力均小于混凝土的抗拉強(qiáng)度，說(shuō)明在此時(shí)混凝土并未發(fā)生開(kāi)裂。圖3表示第二層混凝土澆筑后在Y方向的混凝土最大拉應(yīng)力變化曲線圖，由圖（2）可知，待第二層混凝土澆筑后其最大拉應(yīng)力在不斷增大，并且在第22d之后，其最大拉應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度，說(shuō)明此時(shí)的混凝土表面出現(xiàn)了裂縫。

3結(jié)語(yǔ)

為研究橋梁工程中大體積混凝土的溫度變化問(wèn)題，根據(jù)橋梁工程中墩承臺(tái)混凝土澆筑的溫度變化問(wèn)題結(jié)合ANSYS有限元軟件開(kāi)展研究。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，混凝土中溫度場(chǎng)大的部位主要位于中心部位，在混凝土側(cè)面及表面溫度會(huì)因與空氣對(duì)流將熱量帶走，中心部位的熱量無(wú)處散發(fā)，因此，在施工時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)措施降低混凝土中心部位的溫度；并且發(fā)現(xiàn)第二次澆筑的混凝土對(duì)第一次澆筑的混凝土溫度場(chǎng)影響不大。因此，在進(jìn)行混凝土澆筑時(shí)應(yīng)盡可能地采用分層澆筑。從溫度應(yīng)力分析上來(lái)看，混凝土澆筑時(shí)應(yīng)控制好混凝土的入模溫度。

作者:程昌勤 周少成 楊毅 單位:江西省交投集團(tuán)撫州管理中心