某桥承台混凝土水化热有限元分析.pdf

总第 1 1 期 某桥承台混凝土水化热有限元分析 1 7 某桥承 台混凝土水化热有 限元分析 代 现 志 ( 中铁大桥局集团第二工程有限公司， 江苏 南京 2 1 0 0 1 5 ) 摘要 ： 混凝土中的水泥( 矿粉、 粉煤灰) 等材料水化反 应时放出的热量会导致混凝土温度升高， 但 由于内、 外部热 量扩散速度不同、 外部约束条件的存在以及混凝土弹性模量 随着龄期增长等因素导致混凝土产生温度应力。以某桥承 台为例 ， 对承台混凝土水化热进行有限元模拟分析， 求解出 承台混凝土施工期间的温度场及应力场， 并根据应力分布特 点制定有针对性的温度控制和温度裂缝预防措施 ， 取得了良 好 的效果 。 关键词 ： 水化热 ； 承 台； 温度 场 ； 应力场 ； 有限元法 1 概述 混凝土水化热是指混凝土中的水泥( 矿粉 、 粉煤 灰 ) 等材料水化反应时放 出热量 ， 从而导致混凝土温 度升高的一种工程现象。当混凝 土升温时， 体积将 受热膨胀 ， 反之将收缩。如果混凝土的膨胀或 收缩 不受任何限制 ， 那 么在混凝土 内 ， 将不 产生任何应 力 。在实际施工过程 中， 混凝土必须浇筑在地基或 老混凝土上 ， 混凝土的温度变形受到约束作用而产 生温度应力。在混凝土内部 ， 先后浇筑 的时间不同、 散热条件不同等原 因导致混凝土内部温度场呈非线 性分布 ， 出现变形不一致的现象 ， 因而在混凝土内部 也将产生温度应力 。 由于混凝土的弹性模量是随着混凝土的龄期增 长呈非线性增长， 所以早期温度升高和后期温度降 低 ， 即使在同等温差条件下， 所产生的应力也是不同 的。当混凝土的温度应力大于混凝土相应龄期 的抗 拉强度时， 混凝土将会出现裂缝 。此外 ， 由于混凝土 内、 外部散热条件不同将导致其 内外部之间存在温 度梯度 ， 使得混凝土的内部和外表面之间产生约束 应力 ，最终也可能导致大体积混凝土开裂 。在进行 混凝土水化热分析时 ， 需要根据结构的施工过程、 气 候条件、 混凝土的热学性能按热传导原理求出温度 场后， 再由温度场分布情况、 混凝土结构约束条件以 及混凝土性能参数 ( 如弹性模量 、 线膨胀系数等) 得 出混凝土构件应力场分布 。 2 承台水化热模拟计算 由于大体积混凝土温度应力场 随着混凝土温 度、 弹性模量以及内外部约束条件 的不断变化 而变 化， 另外 ， 混凝土的早期徐变特性会造成温度应力的 很大松弛 ， 这 在温度应力计算 中也是不能忽略 的。 因此 ， 为对大体积混凝 土水化热的温度场及应 力场 进行有效分析 ， 通常可采用有限元 软件进行模 拟计 算。下面以某桥 承台施工 为例， 运用 MI D AS进行 水化热模拟计算。 2 1 承 台参数 某桥承台平面为哑铃形 ， 两端为 1 3 2 m( 长) 1 3 2 m( 宽) 4 m( 高) 的矩形 ， 中间段为 8 2 m( 长) 5 m( 宽) 4 m( 高) 的系梁， 系梁与两边承台之间 垂直连接 ， 如 图 1 所示 。承台采用 C 3 0混凝土 ， 配 合 比见表 1 。 2 2 热工参数计算 在进行水化热分析时 ， 所需要计算的热工参数 见 表 2 。 1 H 一L 上 O A A o B 点 一 厂 单 位 ：m 图 1 承台平面结构示意 表 1 承台C 3 0混凝土配合比 k g m。 水泥 粉煤灰 水 砂 碎石 外加剂膨胀剂 2 8 0 1 2 0 1 8 0 6 3 2 1 0 6 3 6 3 3 2 2 收稿 日期 ： 2 O 1 3 0 3 1 8 作者简介： 代现志( 1 9 8 5 -) ， 男， 助理工程师， 2 0 0 8 年毕业于西南交通大学工程结构分析专业， 工学学士。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 8 桥梁检测与加固 2 0 1 3 ， 6 ( 1 ) 在进行混凝土水化热分析时， 还有 3个重要函 数需要计算确定 ， 分别是混凝土绝热升温曲线 、 弹性 模量增长曲线 、 混凝土抗拉强度增长曲线。 2 3 温度计算边界条件 在求解温度场问题时常用的 3 类边界条件如下。 ( 1 )第 1 类边界条件 。混凝土表面温度 ，是时 间 r的已知函数 ： 丁( r )= 厂 ( r ) 。 ( 2 )第 2类边界条件。混凝土表面的热流量是 时间的已知函数 ， 即-A O T 3 n一厂 ( r ) 。 其中， 为导 热系数 ， 若表面是绝热的， 则有 3 T 3 n一 0 ， 即为绝 热边界条件。为了节省计算量， 在建立承台模型时 ， 考虑到承台的混凝土热源、 冷却水管及养护等关于 中心线基本是对称 的， 故取承台的 1 4模型为计算 模型。在对称面上采用此类边界条件。 ( 3 )第 3类边界条件 。当混凝土 与空气 接触 时， 经过混凝土表面的热流量是： 一A 3 T 3 n一 ( 丁 1 一 T ) 。 在承台与空气接触面采用此边界条件。 另外 ， 对承台结构的物理约束条件可根据单元 结构的实际位移约束情况进行添加即可。 2 4 计算模型建立 为更好描述混凝土的热量传递给地基的情况 ， 在此将地基也模拟为具有一定比热和热传导率的结 构。模型结构为整个承台结构的 1 4 ， 如图2所示( 承 台长边为 X方向， 短边为 y方向， 承台厚为 Z方向) 。 图2 承台热分析有限元计算模型( 1 4 ) 模型计算参数如下 ： ( 1 )温度 边界条件 。地基底面及外侧面， 结 点 温度恒等于土壤温度 2 5。浇筑面及承台的侧面、 地基上表面设置与空气对流 的热交换条件 ， 空气温 度 2 5 ， 表面放热系数 7 4 6 5 k J m。 h ， 承台 混凝土初始浇筑温度 2 7。 ( 2 )温度荷载。丁( ) 一4 0 4 ( 1 一e ) ， t 为 混凝土浇筑完成时间( 单位 ： d ) 。 ( 3 )管冷参数。冷却水温度 1 5 o C； 冷却水流速 0 6 m s ； 冷却水流量 1 3 5 m 。 h ； 水管内径 3 0 m m； 冷却水比热 4 1 8 7 k J k g； 密度 1 0 0 0 k g m。 ； 对流系数 1 3 7 3 0 1 k J m。 h 。 3 温度场及应力场计算结果分析及结论 3 1 温度场分析 通过 MI DAS进行计算分析 ， 承 台混凝土温度 场计算结果如图 3 、 图 4所示。 9 8 0 7 8 9 5 98 4 07 2 l 5 0 2 4 8 3 3 6 4 2 4 5 0 2 5 9 0 6 8 8 7 7 图 3 混凝土浇筑完成第 8天温度场云 图 8 4 e + 0 0 1 5 9 e + 0 0 l 3 5 e + 0 0 1 1 l e + 0 01 87 e + 0 0 1 6 2 e + 0 01 3 8 e + 0 01 1 4 e + 0 01 9 0 e + 0 01 6 5 e + 0 0】 41 e + 0 0 1 1 7 e + 0 0 1 单位 ： 图 4 承台中心点 与表面点温度变化 曲线 从图中可以看出， 承台中心处温度较高 ， 承台侧 面以及浇筑面与空气进行对流换热 ， 温度很快降低 ， 但中心处温度降低较慢 。浇筑后的第 8天 ， 中心温 度达到最高值 4 7 2， 较混凝土浇筑温度 ( 浇筑温 度为 2 7) 升高 了 2 O 2 ， 随后温 度开 始缓 慢 下降。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 1 1 期 某桥承台 昆 凝土水化热有限元分析 1 9 3 2 应力场分析 通过 MI D AS进行计算分析 ， 承台混凝土应力 场计算结果如图 5 8所示。 从 图 5 、 图 6 可 以看出 ， 承台表 面在混凝土浇筑 母 墨 R 图 5 承台顶面 B点处 X方 向应力变化 曲线 图 6 承台顶面 A点处 y方 向应力变化 曲线 图7 第 7天 x方向应力云图 一 40 85 ； ； 1l ee + 0 0O 0 00 - 1 50 7 78e+0琵0 图 8 第 7天l ， 方向应力云图 完成后 1 3 8 d呈现拉应力 ， 最大值 1 9 6 MP a 。随 后， 表面拉应力逐渐减少， 直至降为 0 ， 而后表面开 始 出现压应力。从图 7 、 图 8可 以看 出， 混凝 土表面 最大拉应力分布呈条状， 与应力方向垂直。此种应 力分布易使承台表面出现垂直裂缝， 在施工时需加 强注意。 3 3 结论 ( 1 )承 台混凝 土浇筑后 ， 内表最 大温差 1 4 7 ， 满足大体积混凝土施工规范要求 ( 规范要求里表 温差小于 2 5) 。 ( 2 )承台混凝土中心最高温度 4 7 2 ， 满足施 工规范要求。 ( 3 )施工期间 ， 承 台内部及表面拉应力小 于相 应龄期混凝土的容许拉应力 ， 承台混凝土不会开裂 。 4 温控措施 根据有关温度场和应力场 的计算分析结果 ， 为 保证承台大体积混凝土施工不出现裂缝 ， 常采取的 温度控制措施有 ： ( 1 )严 格控 制混凝 土 的 出机 口温度 ( 搅拌 温 度) ， 从而降低混凝土的浇筑温度 。 ( 2 ) 设置冷却水管， 通冷却循环水进行降温。 ( 3 ) 对混凝土表面进行保温保湿养护， 防止混 凝土表面散热过快。 ( 4 )优先选用低热硅酸盐水泥或低热矿渣硅酸 盐水泥， 进一步优化混凝土配合比设计。 另外 ， 还可以采取分层浇筑混凝土、 设置抗裂钢 筋网片等方式防止水化热导致混凝土裂缝的产生。 5 结语 目前该承 台已施 工完成 ， 承 台外 观质量 良好。 通过承台施工过程 中实际检测结果 ， 承台混凝土温 度场分布特点与理论计算结果基本一致 ， 实测温度 与理论计算结果相 比偏小 。出现偏差的原因主要有 现场实际施工环境、 混凝土参数与理论计算设定值 存在区别 ， 另外实际施工过程 中采取的温控措施也 起到了很大作用。在大体积混凝土施工时， 采用大 型有限元分析软件可以准确地模拟大体积混凝土的 温度场及应力场， 为制定混凝土施工温控措施及混 凝土温度裂缝控制提供 了有效的理论指导。 0 l O1 0O 0 00 OO 0 a O 0 0O OO 0 O0 OO O P 0 0O 0 0O O O0 OO O M +一+一 + + + + + e e e e e e e e e e e e ： 3 4 0O 4O 7 40 74 0 8 6 0 7 6 O 3 7 l 4 8 2曲 O 40 2 86 3 08 52 O 6 3O l 87 6 53 2l 0 2 7 00 O6 2 84 06 2 l 6 05 11 2 23 44 5 一一 一 一一 一一 一 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m