水化热仿真模拟计算在大体积混凝土施工中的应用

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　　【摘  要】结合S230安乡长岭大桥工程实际，通过采用水化热仿真模拟计算、监测及相应的温度控制措施，避免了大体积承台混凝土施工期的温度裂缝。该方法可以为大体积混凝土施工提供计算依据，为优化配合比设计、优化冷却水管布置提供计算依据，以达到提高施工质量、降低风险的目的。
　　【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.
　　【关键词】有限元分析;大体积混凝土;水化热;温度监控
　　【Keywords】finite element analysis; mass concrete; hydration heat; temperature monitoring
　　【中图分类号】TU20                                【文献标志码】A                                   【文章编号】1673-1069（2020）02-0173-04
　　1 工程概况
　　S230安鄉长岭大桥项目25#、26#墩属（35m+60m+35m）跨堤连续梁主墩，群桩配承台基础，承台宽18.6m，长8.6m，高3.5m，单个承台C30混凝土559.86m3，设计图纸分两次进行浇筑，为保证浇筑质量及节省工期，采用一次浇筑完成，属大体积混凝土施工。大体积混凝土由于水化热作用，混凝土浇筑后将经历升温期、降温期和稳定期三个阶段。随着温度的变化，混凝土就会产生温度变形，温度变形在下部结构和自身的约束之下将产生较大的温度应力，如果温度应力超过混凝土的抗拉强度，混凝土就会开裂。因此，在施工前需要进行水化热分析、施工时进行温度监控并采用一定的温控措施。本文介绍针对于该桥承台大体积混凝土水化热仿真模拟，现场监控及温度控制措施，为同类工程提供有效参考。
　　2 计算依据与参数
　　混凝土浇筑后的温度与水泥的水化热温升、混凝土的浇筑温度和浇筑进度、外界气温、表面保护、管冷布置等多种因素有关。温度计算采用MIDAS/CIVIL有限元计算软件，其计算结果的准确性除了选择恰当的计算方法以外，还依赖于材质参数的正确选取。根据以往的工程试验数据及混凝土的物理、热学性能的经验取值，进行了温控模拟计算，并根据计算结果制定了温控方案。
　　2.1 混凝土性能
　　2.1.1 混凝土配合比
　　该项目C30混凝土配合比如表1所示。
　　2.1.2 混凝土力学性能
　　C30承台混凝土的试验数据，7天、28天的强度如表2所示。
　　2.1.3 混凝土热学性能
　　①混凝土的热膨胀系数：混凝土的泊松比系数取为0.2，热膨胀系数取为а=1×10-5（1/T）。
　　②混凝土的导热系数：参考《大体积混凝土温度应力与温度控制》第2.4 节，初步估算承台混凝土的导热系数和比热。考虑混凝土浇筑温度20℃，故而，组成混凝土的各种材料参数采用《大体积混凝土温度应力与温度控制》表2-4-3中21℃对应的材料热性能参数如表3所示。
　　C30混凝土的比热为：（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混凝土的导热系数为：（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 施工条件
　　①S230安乡长岭大桥位于湖南北部。25#、26#墩承台施工于1～2月份施工。本次计算中，考虑承台环境温度取10℃，混凝土浇筑温度取10℃，冷却水流入温度5℃，承台基础底面接触土体的固定温度10℃。
　　②承台一次性浇筑完成。
　　2.3 边界条件
　　计算承台温度时，取以下3种边界条件：
　　①在承台基础底面与土体接触，土体取固定温度10℃。
　　②承台各表面采用2cm土工布养护，查《大体积混凝土温度应力与温度控制》表2-3-1可知，风速为0（光滑）混凝土表面的放热系数为β=18.46 kJ/（m2·h·K）;导热系数λ=0.1549kJ/（m·h·K）。则承台顶面的等效放热系数为： 　　βs=1/（1/β+h/λ）=1/（1/18.46+0.02/0.1549）=5.46kJ/（m2·h·K）
　　③承台侧面采用5mm钢模板包裹养护，承查《大体积混凝土温度应力与温度控制》表2-3-1 可知，风速为0（光滑）混凝土表面的放热系数为β=18.46kJ/（m2·h·K）;钢材导热系数λ=163.29kJ/（m·h·K）。则承台顶面的等效放热系数为：
　　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）單根冷却水管（？准48×2.5mm）的流量为2m3/h，则流速为38.3 cm/sec，即冷却水的对流系数Hp=224.925kcal/（m2·hr·℃）=941.5 kJ/（m2·h·K）。
　　2.4 冷却水管布置
　　参考S230大桥主桥承台设计图纸，采用以下冷却水管布置原则：
　　①设置2层冷却水管，按1.25+1+1.25分层布置。
　　②冷却管按照设计要求，水管的尺寸为？准50×2.5。
　　③单根冷却管长度控制在120m 以内。
　　④每根冷却水管通水量不小于2m3/h。
　　⑤混凝土浇筑过程中，覆盖一层通水冷却一层，通水时间按设计要求连续通水12天。
　　3 仿真计算
　　温控计算采用MIDAS/Civil有限元设计、分析软件进行建模计算。该计算能够模拟混凝土实际施工过程，不仅考虑了混凝土的浇筑温度、养护、保温、管冷和混凝土的边界条件，而且考虑了混凝土的弹性模量、自生体积变形、水化热的散发规律等物理热学性能[1]。
　　3.1 实体模型
　　MIDAS/Civil全部承台与地基建模计算。模拟承台底面混凝土与土体传递承台热量的过程，故将与承台底面接触土体厚取为2.7m（3×0.9m），标号C30混凝土，赋予相应的比热和热传导率，这样才能正确反映承台混凝土的水化热传播过程。
　　3.2 最大温升值
　　根据模型计算，分别对浇筑后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）进行取值分析，承台温度云图如图1所示。
　　基于承台各层温度峰值云图和温度特征点时程图，可得，承台各层混凝土的温度场特征参数如表4所示。
　　综上所述，在承台中布置的冷却水管有效控制住承台各层混凝土最大温升，分析MIDAS/Civil计算所得温度云图和时程图数据得出：承台混凝土在14天内最大温升均小于50℃，满足规范要求。
　　3.3 内外温差
　　根据模型计算，针对混凝土特殊性，采用将对比混凝土中心点和对应表面点的温度时程图，判断混凝土内外温差是否超过规范规定的25℃。
　　①根据温度云图，该项目承台龄期为24h时，温度最高点为13507，距离最近的承台边界点为15044。以上两点的温度时程图如图2所示。
　　最大内外温差为4.1℃，满足规范要求。
　　②根据温度云图，该项目承台龄期为12h时，温度最高点为13101，距离最近的承台边界点为14638。以上两点的温度时程图如图3所示。
　　最大内外温差为3.97℃，满足规范要求。
　　③根据温度云图，该项目承台龄期为168h时，温度最高点为13445，距离最近的承台边界点为14982。以上两点的温度时程图如图4所示。
　　最大内外温差为2.5℃，满足规范要求。
　　3.4 应力
　　在布设冷却水管的前提下，根据MIDAS建模仿真计算，承台24h、72h、168h、336h云图，如图5所示。
　　通过分析不同时间的承台应力云图，找出不同时间承台各层最大拉应力单元，单元号分别为10912、14275、9479、9542，通过单元找出应力特征点为：9939、13479、9991、8491，进一步生成应力特征点温度应力与容许抗拉应力变化曲线如图6所示。
　　可以看出，以上单元应力特征点应力均未能超过允许应力。
　　采用 MIDAS/Civil对S230长岭大桥25#、26#墩承台建模计算，对其计算结果进行分析，可知，在承台中布置的冷却水管能起到预想的效果，设置的冷却管是合理的、有效的，能够有效控制在浇注承台各层时所产生的水化热。其中，混凝土内部最高温度为29.4℃，低于规范允许最高温度50℃;内外温差也控制在25℃以内，满足规范要求;应力最大的单元其拉应力未能超过允许拉应力。
　　4 施工建议
　　为了保证大体积混凝土质量，在混凝土工程施工前，对施工阶段大体积混凝土浇筑体的升温峰值、内外温差及收缩应力的试算外，还应在施工过程中做好以下几个方面。
　　①选择合理的浇筑方式：宜选择采用整体分层连续浇筑或推移式连续浇筑施工方式;浇筑宜从低端开始，沿长边方向自一端向别一端进行;当混凝土供应有保障时，应多点同时浇筑。
　　②合理振捣：应采用插入式振捣器进行混凝土振捣;在混凝土初凝前对混凝土进行二次振捣，排除混凝土因泌水在石子、钢筋下部生成的水分和空隙，提高钢筋与混凝土的握裹力，减少混凝土内部细小裂缝，增加混凝土抗拉强度。
　　③控制混凝土的入模温度：当混凝土入模温度超出试算时，可在搅拌用水中加入冰块降温，也可采用对骨料进行洒水降温的措施。
　　④大体积混凝土在浇筑完成后，浇筑面应及时进行二次抹压处理，并及时进行保温保湿的养护，如侧模须拆除，则应在侧模拆除后，包裹一层保温材料后，及时回填。保湿保温养护时间不少于14天。
　　5 结语
　　本文依托S230安乡长岭大桥实际为依据，通过采用MIDAS计算软件对承台水化热进行模拟计算，得出与实际相符的结论。该方法计算快捷，结论可靠，并可以用于调整温控措失的计算依据，以达到节省施工成本的目的。
　　【参考文献】
　　【1】JTG/T F50—2011公路桥涵施工技术规范[S].
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