转体施工开口薄壁拱桥封盘混凝土水化热分析.pdf

第 3 7 卷 ， 第 5期 2 0 1 2年 1 0 月 公 路 工 程 Hi g h wa y Eng i n e e r i n g Vo 1 3 7，No 5 Oc t， 2 0 1 2 转体施工开 口薄壁拱桥封盘混凝土水化热分析 冯雄辉 ， 李志勇 ，吴欣 ( 1 中南大学 地球 科学与信息物理学 院，湖南 长沙4 1 0 0 8 3 ； 2 湖南省交 通科 学研究院 ， 湖南 长沙4 1 0 0 1 5 ) 摘要拱桥转体施工结束后， 需进行拱脚封盘混凝土施工。拱脚封盘混凝土具有体积大、 散热面积小、 边 界 条件约束复杂等特点 。针对近年来多 座此类 桥梁 封盘 混凝土 出现 开裂 的情况 ， 以一 典型桥梁 为背 景 ， 采 用 MI D A S 2 0 1 0程 序建 立其水化热仿真模型 ， 并进行 了数值分 析 。在 此基础 上 ， 对 封盘混 凝 土的水化热 效应进 行 了水化 热常系数 、 浇筑温 度等仿真参数分析 。仿真结果 表明 ： 水化热效 应是造 成封盘混凝土 开裂的一个重要 原因。 关键词 】水化热分析 ；封盘混凝土 ；转体 施工 中图分 类号U 4 4 8 2 2 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 2 ) 0 5 - 0 0 0 5 - 0 3 Ro t a t i o n Co n s t r u c t i o n o f Op e n Th i n W a l l Ar c h Se a l i ng Co n c r e t e Hy d r a t i o n He a t Ana l y s i s FENG Xi o ng hui ，LI Zhi yo ng ，W U Xi n。 ( 1 S c h o o l o f Ge o s c i e n c e s a n d I n f o P h y s i c s ，C e n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y ，Ch a n g s h a ，Hu n a n 41 0 0 8 3，C h i - n a ： 2 Hu n a n C o mm u n i c a t i o n R e s e a r c h I n s t i t u t e ， C h a n g s h a ， Hu n a n 4 1 0 0 1 5 ， C h i n a ) A b s t r a c t T h e s e a l i n g c o n c r e t e o f a r c h b r i d g e w i l l b e c o n s t r u c t e d a ft e r r o t a t i o n c o n s t r u c t i o n o f i t fin i s he d T he c o nc r e t e h a s s u c h c ha r a c t e r i s t i c s l i k e h ug e s i z e，s ma l l e r h e a t r a d i a t i n g a r e a a n d mo r e c o m- p l e x b o u n d a c o n s t r a i nt Ac c o r d i n g t o t h e c r a c ki ng s i t u a t i o n o f t h i s t y p e b r i d g e s i n r e c e n t y e a r s ，t h e p a - p e r e s t a b l i s he d h y d r a t i o n h e a t s i mu l a t i o n mo de l o f i t u s i n g MI DAS 2 01 0 p r o g r a m a n d n u me r i c a l Y a n a l y z e d f o r t he mo d e 1 The h y d r a t i o n h e a t c o n s t a nt c o e f fic i e n t s a nd pl a c i n g t e mp e r a t ur e o f t h e c o nc r e t e h y d r a t i o n h e a t e f f e c t ha v e be e n a n a l y z e d b y s i mu l a t i o n pa r a me t e r s ba s e o n t ha t An d t he r e s u l t s s ho we d t ha t i t i s a i mpo r t a n t r e a s o n c a u s i n g t he c r a c k i n g o f t h e c o n c r e t e K e y w o r d s h y d r a t i o n h e a t a n a l y s i s ； s e a l i n g c o n c r e t e ； r o t a t i o n c o n s t r u c t i o n O 前 言 混凝土开口薄壁箱形拱肋拱桥转体施工是近年 来提 出的一种用于箱形肋拱拱 桥转体施 工的新工 艺 。其特点是 ， 先在两岸制成开 口薄壁的箱形 截面 半拱 ， 转体合龙后 ， 浇筑后期砼补足箱拱腹板和底板 至设计厚度 ， 然后施工箱拱顶板及上部结构。其优 点在于转动体系 的总质量较轻 ， 降低 了施 工成本 。 近几年部分此类型桥梁出现了拱脚处封盘混凝土竖 向开裂。封盘混凝土是拱桥拱脚受力的关键部位 ， 此处出现裂缝将影响桥梁 的整体性 和耐 久性 ， 缩短 其使用寿命 ， 甚至将危及结构承载力 ， 引发灾难性后 果。裂缝形成的原因迄今尚未得到充分研究。本文 以一典 型 桥梁 为背 景 ， 采 用 MI D A S 2 0 1 0程序 建 立 其 水化热仿真模型， 并进行了数值分析。在此基础上 ， 对封盘混凝土的水化热效应进行 了水化热常系数 、 浇筑温度等仿真参数分析， 并 由此探讨水化热效应 是 否会 导致 封盘混 凝 土 开裂 。 1 工程背景 某 大桥 主桥为上承式普通 钢筋混凝 土箱形拱 桥 ， 净跨 1 4 0 m。根据两岸地形 ， 主拱成拱工艺采用 有平衡重平 面转体施工工 艺， 转盘立面图 ， 见 图 1 。 设计转体重量 为 3 8 0 0 t 。施工过程 中拱肋 转体合 拢后一次性浇筑封盘混凝 土， 封盘混凝土拆模后 即 出现 4条竖 向裂缝 ， 位置分布如图2中 A、 B 、 c 、 D四 点所示 。裂缝从封 盘混凝土顶面一直延伸 到底面 ， 宽度 0 4 0 6 mm。 收稿 日期 2 0 1 2 0 7 0 6 作者简介】冯雄辉 ( 1 9 6 9 ) ， 男 ， 湖南益 阳人 ， 高级工程师 ， 主要从事高速公路建设 与管理 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 公路工程 3 7卷 0 n 图 1 转盘立面 图( 单位： c m ) F i g u r e 1 t u r n t a b l e e l e v a t i o n( u n i t ： c m) 妻 I 厂A 一 。 、 昌 I ( - 一 C 一 _ 一 广 二 8 寸 C ， _墨 I ttt 寸 0 8 5 0 壁：垒 墅垡 2 3 0 I l 0 8 0 图 2 上 转盘 地面仰视 图( 单位： c m ) F i g u r e 2 t h e t u r n t a b l e o n t h e g r o u n d l o o k i n g u p m a p s( u n i t ： e m) 2 模 型分析 水化热分析包括热传导分析和温度应力分析两 个过程。热传导分析是计算节点温度随时间的变化 量 ， 即计算 因水泥水合过程 中发生的放 热、 对流、 传 导引起的节点温度变化。温度应力分析是使用热传 导分析得到的各时间段的节点温度分布以及材料随 时间变化的特性、 混凝土随时间变化的收缩、 混凝土 随时间和应力变化 的徐变等 ， 计算封盘混凝土各施 工 阶段应 力 。 模型基 于 图 1 、 图 2所示 尺寸 建立 ， 通 过 MI D A S C I V I L的水化热分析模块进行求解。有限元模 型基于以下假定 ： 混凝 土为各 向同性 的均质材 料 ， 其 在温 度和 静 力 作 用 下 处 于 弹 性 范 围 ； 水 泥 水化的放热率是时 间的函数 ， 与 空间变量无关； 模 型材 料特性 不 随温 度改 变 。 模型共计划分为 1 9 4 4 2个实体单元， 计算参数 包 括 密 度 JD 为 2 5 0 0 k g m ， 线 弹 性 模 量 O t取 1 0 。 ， 弹性模 量 取 3 2 5 x 1 0 P a ， 比热 C取 9 6 0 J ( k g K) ， 导热系数 K取 3 w ( m K) ， 对流 系数 取 7 5 w ( m K) 。下转盘与岩层接触面 位移设定为全约束 ， 温度设定为环境温度 ， 混凝土与 空气接触面设定为对流边界。模型没有考虑裂缝出 现后本构关系的变化。 3温度应 力分析 封盘混凝土水化热引起 的温度应力分为内部约 束应力和外部约束应力。内部约束应力是因为混凝 土温度分布的不平衡约束了结构体积的膨胀而发生 的应力。在水化反应前期 ， 混凝土外 围温度较低而 内部温度较高 ， 温差使混凝土表面发生张拉应力 ； 在 温度下降阶段因为内部收缩变形大于表 面， 在混凝 土内部会产生张拉应力。内部约束应力的大小与结 构物内外温度差成比例。外部约束应力是因为已浇 筑的混凝土或地基表而约束了正在浇筑的混凝土的 温度变形而发生的应力。外部约束的影响与接触表 面的宽度和外部约束刚度有关 。 假定采用普通硅酸盐水泥一次性浇筑封盘混凝 土， 混凝土中水泥质量浓度取 2 5 0 k g m ， 浇筑时环 境 温 度为 2 0 ， 混 凝 土 入模 温 度 为 2 0 。温 度 及 应 力状 况 如图 3 、 图 4所示 。 4 3 2 g 目1 Z o 一l 一2 3 时间 h 图 3 水 化热 温度历 时曲线 比较 Fi g ur e 3 Hy d r a t i o n he a t t e mp e r a t u r e 图 4水化热应 力历 时曲线 比较 Fi g u r e 4 Hy dr a t i o n h e at s t r e s s du r a t i o n d ur at i o n cu r v e c o m p a r i s o n c ur v e c o mpa r i s o n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 陶可 ， 等 ： 双向增 强复合地基桩 土应力 比计算 大 ， 但两者对其的影响较小 。 l 2 0 1 6 0 2 0 0 2 4 0 2 8 0 抗 拉模量 E( k N m一 1 ) ( b ) 抗拉模量 图 4 桩 间距、 抗拉模量 与桩土应力 比关 系图 Fi g ur e 4 Re l a t i o n b e t we e n t h e pi l e s p a c i ng，t he t e ns i l e mo d u l us a n d t h e p i l e s o i l s t r e s s r a t i o 3 结论 本文引入弹性地基上大挠度薄膜理论 ， 考虑筋 材与桩间土的相互作用 ， 得 到筋材在路堤荷载与地 基反力作用下的挠 曲函数 ， 进而得 出双 向增强复合 地基的桩土应力 比计算公式 ， 探讨 了双 向增强复合 地基桩土应力 比随其 主要影响 因素 的变化规律 ， 得 到如 下结 论 ： 筋材变形性状符合双曲函数 ， 与圆弧以及抛 物 线相 差较 大 。 桩土应力 比随路堤高度的增加而增加 ， 随基 床系数 的增加而减小。而桩体中心距与筋材抗拉模 量对桩土应力 比的影响较小。 参考文献 陈宏友 ， 李彬 桩承土工合成材料复合 地基在潭 邵高速公路 软基处理中的应用 J 中南公路 工程 ， 2 0 0 2 ， 1 7 ( 1 ) ： 4 0 4 I 郑俊杰 ， 陈保国 ， S a r a WAb u s h a r a r 等双 向增 强体复 合地基 桩土应力 比分 析 J 华 中科 技 大 学 学 报 (自然科 学 版 ) ， 2 0 0 7 ， 3 5 ( 7 ) ： 1 1 01 1 3 饶为国 ， 赵成刚 桩一网复合地基应力 比分析 与计算 J 土木 工程学报 ， 2 0 0 2， 3 5 ( 2 ) ： 7 4 8 0 赵明华 ， 龙军 ， 张玲 桩 承加筋 垫层复合 地基 桩土应 力 比 分析 J 公路交通科技 ， 2 0 1 0 ， 2 7 ( 1 0 ) ： 2 93 4 J i e Ha n，S a d i k Oz t o p r a k，Ro b e a LPa r s o n s，e t cNu me r i c a l a n a l y s i s o f f o u n d a t i o n c o l u mn s t o s u p p o wi de n i n g o f e m b a n k m e n t s J C o m p u t e r s a n d G e o t e c h n i c s ， 2 0 0 7 ， 3 4 ： 4 3 5 4 48 S e l v a d u r a i A P S 土与基础相互 作用的弹性分 析 M 北京 ： 中国铁道 出版社 ， 1 9 8 4 ( 上接 第 7页) 度峰值影响较大。在环境温度为 3 0时 ， 水化热产 生的拉应力较大不适 宜浇筑 。在环境温度 为 2 0 和 1 0浇筑时应降低浇筑温度 ， 以减少水化热造成 的拉应力 。 5 结 论 本文针对转体施工开 口薄壁拱桥封盘混凝土容 易开裂的问题 ， 研究了在水化热效应下封盘混凝 土 的温度应力状况 ， 并进行了相应的影响参数分析 ， 得 出 以下 结论 ： 在水化反应前期 ， 封盘混凝土外 围会受到较 大拉应力 ， 在温度下降阶段 ， 封 盘混凝土内部会产生 较大拉应力 。水化热产生的温度应力足以导致混凝 土开裂 ， 是造成封盘混凝 土出现裂缝的一个重要 原 因， 在设计和施工中必须引起足够的重视 ， 采取必要 的措施降低温度应力 。 随着 温度 的 降低 ， 封 盘 混凝 土 内部 产生 的 拉 应力有可能使得早期裂缝往结构 内部延伸。裂缝出 现 的 A点 和 B点存 在 对称 性 ， 由于封 盘 混凝 土截 面 面积较大， 采用超声无损探伤技术无法判断裂缝是 否贯穿整个截面以及是否发展为结构性裂缝。对于 出现裂缝 的结构必须采取相应措施进行修补， 防止 裂缝对结构安全及使用性能造成影响。 影响参数分 析表 明， 相对 于普通 硅酸盐 水 泥 ， 使用 中热硅酸盐水泥和粉煤灰水 泥能有效降低 主拉应力峰值。在使用 同种水泥 的情况下 ， 单位体 积水泥含量对主拉应力峰值有较为明显的影响。在 较低 的环境温度下采用降低浇筑温度的方法可以有 效减小主拉应力峰值 ， 降低混凝土开裂的可能性。 参考文献】 1 张联燕 ， 程懋方 ， 谭 邦明， 等 桥梁转 体施工 M 北京 ： 人 民交 通出版社 ， 2 0 0 2 2 傅理文 ， 汪劲丰 ， 程 伟平， 等 方形 混凝土桥墩 裂缝成 因分析 及 对策 J 浙江 大学学报 ， 2 0 1 0， ( 9 ) 3 冯乃谦 混凝土结 构的裂缝 与对策 M 北京 ： 机械 工业 出版 社 2 0 0 6 4 陈开利 ， 王邦楣 ， 林 亚超 ， 等 桥 梁工程 鉴定 与加 固手册 M 北京 ： 人民交通出版社 2 0 0 5 5 刘召伟 ， 刘成 禹 混凝 土早期 裂纹 发展 规律 J 建筑 材料 学 报 2 0 0 6 1 2 ( 6) ： 6 9 3 6 9 8 i = 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m