要闻：高铁大体积混凝土这样施工，有限元分析水化热，质 ...

xubin · 发表于 2022-5-20 16:43:18

　　大体积混凝土承台施工中较为常见，本文以克地坝陵河特大桥连续梁主墩3#承台为研究对象，采用有限元分析软件MIDAS/FEA对采用冷却管布置前后的水化热效果进行数值分析，得出冷却管的工效影响范围及程度，为调整冷却管间距、直径、流量、层数等提供了依据，可在同类工程中借鉴参考使用。有限元分析的具体问题可以到我们网站了解一下，也有业内领域专业的客服为您解答问题，值得您的信赖！

　　1、前言

　　大体积混凝土由于水泥的水化热作用，混凝土浇筑后要经历升温期、降温期、和温度稳定期三个阶段。升温阶段，因混凝土的热传导性较低，水泥产生的水化热大量地聚集在混凝土芯部不易散发，内外温差过大（一般指混凝土温差超过25℃时）使混凝土芯部产生压应力，外部产生拉应力若大于相应龄期的容许拉应力时就有可能产生裂缝。降温阶段，新浇筑混凝土受芯部钢筋、封底混凝土及桩头约束而不能自由收缩，此时弹性模量相对较底，若降温梯度过大就容易产生较大温度拉应力，当该拉应力大于相应龄期的混凝土容许拉应力时，也容易产生温度裂缝。因此，控制温差尽量降低混凝土温度梯度是保证不产生裂缝的根本。

　　2、工程概况

　　克地坝陵河特大桥位于贵州省关岭县坡贡镇，其中心里程：D2K845+173，桥长：525.738m。孔跨布置为：1×32m+（88+168+88）m连续刚构+4×32m简支箱梁。其2#墩台位于镇水公路深路堑边坡上,3#墩台位于丫口1#滑坡体上，承台为大体积混凝土结构，尺寸为36.4m(横桥向)×19.0m（顺桥向）×5.0m（厚度），顶部设置垫块，尺寸为26m(横桥向)×12m（顺桥向）×1m（厚度），混凝土设计为C35，要求承台及垫块一次性浇筑，浇筑方量为3770m。

　　承台结构尺寸及立体图见图1

　　图1 承台结构尺寸及立体图

　　3、模型建立

　　由于承台及垫块属于对称结构，故取承台及垫块结构的1/4部分进行建模和分析，另外取1m厚地基模拟结构进行分析，因地基模拟结构有一定的比热和热传导率，以便正确模拟显示地基顶部混凝土热量传递过程，桩基对承台结构的温度影响未计入。

　　在MIDAS/FEA中建立模型如图2所示（为了体现直观侧面效果，则尺寸建立以1/4大小为准），单元尺寸大小选取0.5~1m，则地基划分为1868个单元，承台划分为3705个单元，垫块划分为624个单元，其中各网格尺寸为：地基（长×宽×厚）：25m×15m×0.2m，承台（长×宽×厚）：18.2m×9.5m×5m，垫块（长×宽×厚）：13m×6m×1m。

　　坝陵河大体积承台1/4模型见图2

　　图2  坝陵河大体积承台1/4模型

　　4、参数取值

　　承台地基为一般泥岩夹砂岩，其承台混凝土为C35混凝土，垫块标号同承台砼标号，按配合比设计，每立方米混凝土的材料用量为：水泥276kg，粉煤灰118kg，细骨料842kg，粗骨料1072kg，水138kg，外加剂3.94kg。

　　MIDAS/FEA中建立的模型所取参数如表1所示。

　　表1  坝陵河大体积承台模型相关参数表

　　5、边界条件定义

　　本文主要对承台进行温度影响及其应力等分析，故要对建立好的实体单元进行分析。其边界条件主要包含约束、强制温度及对流边界。

　　因地基处于固定状态，且实体单元没有扭转自由度，对地基所有节点增加约束限制所有平移自由度，故将地基底部及侧面所有节点全部进行固定约束，限制其位移及旋转。

　　承台及垫块为1/4 对称结构，在其芯部靠近其他1/4结构面上，将正对称面（-x，z平面）上的单元节点增加Y方向的平移约束，将其侧对称面（y，z平面）上加X方向的平移约束。

　　强制温度的定义主要因为地基常年处于地下，与外界接触时间较短，受外界环境温度影响较小，故将地基底部所有节点增加20℃的常温，以模拟其真实温度受力状态。

　　对流边界在本文中涉及到两种，一种为钢模板未拆除前的对流状态，一种为模板拆除后后养护过程中的状态，其相关参数见模型参数表。承台及垫块钢模板支设时，只支设其侧面位置，所以将承台及垫块侧模位置增加钢模板对流边界，顶部增加养护覆盖对流边界。

　　6、荷载定义

　　坝陵河特大桥承台2013年10月中旬施工时环境温度约为15-20℃，其外界温度变化不大，故分析时将环境和地基底部温度设为20℃固定温度。

　　热源函数是描述混凝土芯部水化热的函数，它跟混凝土中水泥类型、水温和单位体积水泥含量有关。本文采用日本JSCE2012规范，水泥采用普通硅酸盐水泥，选取水温20℃，水泥用量取施工配合比用量276kg/m，得到其最大绝热温升为47.468℃。

　　7施工阶段定义及分析

　　施工阶段分别为地基、承台及垫块，根据对应的施工阶段，选取对应的网格组，因地基没有水化热产生的热源，故将地基的分析持续时间设定为10h，另外考虑只分析7天内承台及垫块的温度变化最大情况，分析持续时间则按照200h设定，则其阶段设定义见下图3：

　　图3  水化热阶段定义

　　根据其施工阶段定义对其参数及分析进行设定，设定好后分析并运行，并进行结果查看。

　　8、结果查看

　　通过查看承台及垫块整体工况对应的温度结果显示，当浇注完承台混凝土第200h（第9天）时的芯部温度最高为56.8℃，当浇筑完承台及垫块混凝土第270h（第12天）时的芯部温度最高，为64.6℃，对应的温度变化云图见下图4、图5

　　图4  浇筑完承台芯部温度云图

　　其1d、3d、7d、10d的温度应力云图如下：

　　（2）3d温度云图（3）7d温度云图（4）10d温度云图

　　通过软件模拟计算的芯部温度与手工计算得到的数据基本接近，其芯部温度均高于60℃，必须采取有效的降温措施保证养护期间混凝土芯部温度不宜超过60℃，混凝土芯部温度与表面温度之差、表面温度与环境温度之差不宜大于20℃，养护用水温度与混凝土表面温度之差不得大于15℃。

　　9、降温措施

　　9.1布置冷却水管

　　冷却水管采用内径φ45×2.5mm普通钢管，冷却管采用分层布置，层间距为1.3m，每层设置进、出水口。采用S形布置，管道弯折部位采用弯头连接，每层一个进水口，两个出水口，其冷却水管平面布置见图6，冷却水管侧面布置见图7。

　　图7  冷却水管侧面布置图

　　9.2控制分层浇筑并降低浇筑速度

　　根据承台结构尺寸及水化热影响分析，其芯部温度最高，故浇筑混凝土时从中心往四周进行分层浇筑，分层厚度为1m，另外根据减水剂缓凝时间一般为10-12h，则尽量将混凝土泵送控制在20-25m/h。

　　通过按照1m分层浇筑并在MIDAS/FEA中模拟分层实际浇筑后混凝土芯部温度效果，发现分层后芯部温度比整体温度效果更为准确。

　　第1层～第5层混凝土浇筑完时的承台芯部最高温度（不含冷却管）分别为28.5℃、49.1℃、63.1℃、66.8℃、65.6℃，其温度云图见下图：

　　（2）第2层浇筑完成温度云图（4）第4层浇筑完成温度云图（5）第5层浇筑完成温度云图

　　通过以上分层后的芯部最高温度云图可以看出，当混凝土浇筑第2层开始升温时，第一层冷却管必须开始通水，当混凝土浇筑第4层芯部温度最高时，必须保证其内部冷却管通水达到要求，此时可采取降低混凝土浇筑速度等措施进行降温。

　　测温采用JDC一2型便携式建筑电子测温仪，并配套使用专用测温线、PN温度传感器及标准温度计共同进行温度量测。

　　对于该承台，水平方向每7m布置1个测温点，顺桥向每6.5m布置一个测温度，竖向布置5个测温点（承台顶、中、底部），另外布置4个温度测控点，分别用来测定环境温度、冷却管进出口水温及混凝土浇筑温度。根据测温点数量和深度选用长度规格合适的测温线，预埋时可用钢筋等杆件作支撑物，将测温线按照纵向测温点间距1m绑在支撑物上，温度传感器与支撑物之间做隔热处理。

　　测管点布置图见图8，测温元件埋设分层示意图见图9

　　11、冷却管状态模拟

　　以实际冷却管布置位置为基础，在MIDAS/FEA中建立对应的模型后，其承台内共布置4层冷却管，因模型为1/4对称结构，则对应的冷却管也相应为对称结构，其每层的管道布置及立体布置效果图见下图10。

　　图10  MIDAS/FEA冷却管布置平面效果图11  MIDAS/FEA冷却管布置立体效果

　　通过加载以上冷却管荷载后进行分析，则发现布置冷却管后降温效果明显，承台和垫块全部浇筑完成后其芯部最高温度为为64.6℃，增加冷却管后其芯部温度在250h（第10天）时最高为47.5℃，小于60℃，比没有布置冷却管之前温度降低了17.1℃。实际通水时间比承台混凝土浇筑完要早，基本上当浇筑层厚满足通水条件后即可通水降温。

　　其1d、3d、7d、10d的温度应力云图如下：

　　（3）7d温度云图（4）10d温度云图

　　通过以上云图可以观察出，混凝土整体浇筑完后加入冷却管进行降温效果比分层浇筑混凝土降温效果明显，是因为混凝土分层后的水化热增长时间不一样，故在分析时应尽量采用实际分层分析则更为准确。故当垫块未浇筑时，加入冷却管后承台温度最高在3d-5d左右，因垫块只有1m厚，实际施工的时候垫块浇筑比承台晚了2天，所以此时的实际芯部温度应MIDAS/FEA软件模拟出来的要小的多。

　　12、降温效果及实际检测结果

　　混凝土采用冷却管并提前通水分层降温后，第1层～第5层混凝土浇筑完时的承台芯部最高温度（不含冷却管）分别为28.4℃、45.0℃、50.1℃、50.6℃、42.6℃，其MIDAS/FEA模拟温度云图见下图：

　　（1）第1层浇筑完成温度云图（4）第4层浇筑完成温度云图（5）第5层浇筑完成温度云图

　　结合软件及实际，现场采用水泵抽取坝陵河河水冷却降温循环，并采用温度计对承台进水口、出水口、承台表面进行温度跟踪测量。混凝土入模温度为23℃，其中进水口温度始终保持在16～21℃之间，出水口温度在19～26℃之间。承台实测内部温度最高温度为52℃，比软件模拟温度高2℃，承台实测表面最高温度36℃，内外温差16℃，与软件计算结果相近，并小于25℃规范要求。

　　克地坝陵河特大桥3号墩承台大体积混凝土于2013年10月10日下午18时开始浇筑，2013年10月14日下午17时浇筑完成，历时95h，承台混凝土浇筑完对垫块底部进行凿毛处理后，2013年10月16日下午14时浇筑垫块混凝土，2013年10月17日8时浇筑完成，历时18h。待承台及垫块混凝土通水养护2d后，拆模观察其表面平整，无温度裂缝产生。

　　承台混凝土浇筑第4、5天内部温度达到峰值时测量冷却管进出水温度数据

　　通过以上数据分析，混凝土在浇筑后在1～3d温度处于上升阶段，混凝土芯部的最高温度多数发生在浇筑后的3～5d内，5d以后混凝土温度处于下降阶段。因此，在混凝土浇筑过程中，应进行温度测量及冷却管通水降温，在混凝土浇筑后1～5d内应密切观测混凝土温度的变化，每2h采集数据一次，5d以后每6～8h采集数据一次，同时量测大气温度，直至不采取措施而内表温差、表气温差均可控制在规范的要求范围。

　　13、结束语

　　1）通过以上实例证明，采用Midas/FEA软件建立大体积混凝土水化热的有限元分析模型，其计算结果准确，能够正确动态模拟混凝土内部水化热和采取降温后内部水化热的发展状态，并能动态模拟其降温过程。与传统公式手算方法比较，其分析计算精度高，结果显示详细、直观。

　　2）采用Midas/FEA软件对大体积混凝土的施工实际采用的冷却管措施进行分析，可以模拟出真实状态，对数据分析及结果查看更为准确，更能有效的指导施工，为大体积混凝土降温提供了更有力的帮助。

　　3）通过以上实例可以看出，大体积混凝土温控措施的重要性，在后续施工中如何保证温控措施得到有效控制是作为施工人员的主要研究对象。

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