大体积混凝土桥墩浇筑过程中的温度应力和变形研究.pdf

第 3 7卷第 2期 2 0 1 0年 2月 建筑技术开发 Bu i l d i ng Te c hn i q ue De v e l o pme n t Vo 1 3 7， No 2 F e b 2O1 O 大体 积混凝 土桥 墩 浇筑过程 中的 温度 应 力和 变 形研 究 刘耀东刘璐 白应华余天庆 ( 湖 北_ Y - 业 大学土木 工程 与建 筑学院 ， 武汉4 3 0 0 6 8 ) 摘要 郑州黄河公铁两用桥大体积混凝土桥墩按 承台 、 墩 座 、 墩 身、 墩 帽的顺序进 行浇筑 ， 采用 M I D A S结 构计算软 件分析了桥墩浇筑过程 中的温度应力和变形情况 ， 探讨了管冷技术对温度应力的影响 ， 为桥墩防裂提供 了应 力与变形方面的重要依据 。 关键词 大体积混凝土； 桥墩 ； MI D A S软件 ； 温度应力 ； 结构变形 ； 管冷技术 中图分类号 U 4 4 5 5 5 文献标 志码 A 文章编号 1 0 0 1 5 2 3 X( 2 0 1 0 ) 0 2 - 0 0 2 9 - 0 4 TEM口 E ERATURE S TRE S S AND DEFoR TI oN RES EARCH oN S S CoNCRETE PI ER DURI NG CAS T Li u Ya o - d o n g L i u L u S h i J un - f e n g Yu Ti a n - qi ng Ab s t r a c t K e y wo r d s Th e r e we r e f o u r s t a g e s i n t h e ma s s c o n c r e t e c o n s t r u c t i o n o f t h e s u b s t r u c t u r e o f Zh e n g z ho u Ye l l o w Ri v e r Brid g e f o r r a i l wa y a n d h i g hwa y c a s t b y o r de r o f pi l e C a p， p i e r pl a t f o r m ， p i e r b od y， p i e r c a pI n t hi s a r t i c l e， a p pl y i ng Mi d a s s o f t wa r e， t he t e mp e r a t ur e s t r e s s a n d t h e de f o r ma t i o n we r e a n a l y z e d du rin g t he c a s t o f p i e r a n d t h e i nflu e n c e o f t h e t e c h ni q ue o f c o o l i ng p i pe o n t h e t e mp e r a t ur e s t r e s s wa s d i s c u s s e d， whi c h p r o v i de d t h e t r e s s a nd t he de f o r ma t i o n a g a i n s t t h e pi e r c r a c k ma s s c o n c r e t e； pi e r ； MI DAS s o f t wa r e； t e mp e r a t ur e s t r e s s； s t r u c t ur e d e f o r ma t i o n； c o o l i n g p i p e t e c h ni q ue 1工 程概 述 郑州黄河公铁两用桥主桥长 1 6 8 4 m， 为 1 2 0+ 51 6 8+ 1 2 0 m六塔连续钢桁梁单索面斜拉桥 和 51 2 0 m 连续 钢桁 梁桥 。主桥公铁合建段上层为公路桥 ， 桥面宽 3 2 5 m。下层 铁路桥为双线客运专线 。复 杂的上部 结构形 式和 巨大的公 路铁路荷载大大增加了桥墩的设计 尺寸 ， 使得桥墩 大体积混 凝土浇筑以及防裂问题成为整个工程 的重要控制环节。 主桥桥墩尺寸最大 的 6号墩 由承台 、 墩座 、 墩身 、 墩 帽 四 部分组成， 基础采用 2 4 根长 9 5 m的 6 2 0 m钻孔灌注桩群桩 基础 ， 其 中 承 台 尺 寸 为 2 9 6 m 1 9 2 m 5 0 m， 体 积 2 8 4 1 6 m ， 墩 身 尺 寸 为 1 9 0 m 5 0 m x 8 6 8 m， 体 积 8 2 4 6 m 。这样的大体 积桥 墩通 常采 用分段 浇 筑 的方式进 行 。对其 中体积较大的承台和墩身必须采用冷却水 管冷 却的 方式以降低混凝土水化热 。 收稿 日期 ： 2 0 0 91 11 5 作者筒介： 刘耀东( 1 9 6 9 一 ) ， 男 ， 山东滕州人 ， 毕业于浙江大学 ， 土木工 程学博士 ， 湖北工业大学副教授 ， 主要从事桥 梁工程 结构 及施工技术研究。 2有限元模型的建立 2 1 基 本 假 设 有限元模 型往往与实际结构有 一定的差别 ， 本文在建立 模型的过程 中采用如下假设 ： 1 ) 混凝土为匀质体 ， 有 限元模型各节点发热率一致 ； 2 ) 同一浇注层混凝 土的初始温度一致 ； 3 ) 假设混凝土表面放热 系数一致 ； 4 ) 忽 略 冷却 水 管 体 积 的 影 响 ， 只 考 虑 冷 却 水 的 冷 却 效用 ； 5 ) 忽略混凝土 内钢筋的影响。 2 2 有 限元模型 ( 1 4结构) 模型结构主要 由承台 ， 墩座 ， 墩身 ， 墩 帽梁 四个 主要部分 构成 ( 见 图 1 ) 。 2 9 第 2期 刘耀 东， 等： 大体 积混凝土桥墩浇筑过程 中的温度应力和变形研 究 第 3 7卷 图 1 6号桥墩有限元模 型( 1 4结构) 其模型尺寸如下 ： ( 1 4结构) 承台 ： 1 4 8 0 9 6 0 5 0 0 ( 模型节点数为 9 0 2 0个 ， 实体 单元 数为 7 6 0 0个 ) 墩座 ： 1 1 5 0 x 4 0 01 5 0 ( 模型 节点数为 8 6 4个 ， 实体单元 数为 5 5 2个) 墩身 ： 9 5 0 2 5 0 x 8 6 8 ( 模 型节 点数为 2 1 6 0个 ， 实体单元 数为 1 6 1 5个 ) 墩 帽梁 ： 1 1 5 03 8 01 5 0+1 1 5 0( 2 5 03 8 0)2 5 0 ( 模型节点数为 1 2 0 0个 ， 实体单元数 为 8 5 5个 ) 以 M I D A S结构计算 软件 中的水 化热模 块为分 析基 础 ， 单元的划分考虑冷却水 管、 测 点及计算 的精度等 因素 ， 均采 用八节点六面体单元 根据 承台大体 积混凝土 的特点 ， 取全 模 型 1 4 进行计算 ； 整体结 构采用八 节点单 元 ， 合 计节点 数 为 1 2 7 8 8个 ， 实体单元数为 1 0 6 2 2个 。 2 3 温度 应 力 模 拟 分析 的一 般 步 骤 运用 MI D A S有限元分析软件对大体 积混凝土温度应 力 模拟分析一般分 为三个步骤 ： 1 ) 建立模型 ， 确定 收缩 、 徐 变及 弹性 模量等 与时 间相 关 的材料特性参数 ， 同时完 成边界设置。 2 ) 温度应力分析 。包 括温度设 置 ， 热 源分配 ， 施工过 程 模拟 ， 时间设置等。 3 ) 结果分析 。主要包括温度应力变化 图形 ， 位移变化 图 形 等 。 应力和容许张拉应力 6号桥墩混凝土按施 工顺序分成承 台， 墩座 ， 墩身 ， 墩帽 4个阶段进 行。为 了准确分 析大 体积混凝 土在 每个施 工阶 段温度应力及温度引起 的位移变化情况 ， 在每一施工阶段预 留一定的时间使混凝 土可 以充 分水化 。考 虑到施工 的实际 情况 ， 每个 阶段 的有限元分析过程设置为 1 0 d ( 2 4 0 h ) ， 整个 桥墩总时长为 4 0 d ( 9 6 0 h ) 。 3桥墩 温度 应 力 及 位 移 变 形分 析 由于墩座、 墩帽体积较 小 ， 而且没有采 用管道 冷却 的方 式对混凝土降温 ， 因此只对桥墩 中体积较大 的承台和墩 身进 行温度应力和变形分析 。 3 1 承 台温 度 应 力及 变形 大体积混凝 土承 台在 温度梯度和边 界约束 的共 同作用 下 ， 温度应力在整个浇筑过程 中不断变化 。由于承台体 积较 大 ， 在承 台内部通过布置冷却水管的方式控制混凝 土的最高 温升 ， 通水时间为 1 O d ( 2 4 0 h ) 。通过管冷 ， 混凝 土的最 高温 度得到了有 效降低 ， 承台最大拉应力及在温度应力作用下 的 变形见 图 2 、 图 3 ， 承台在整个桥墩浇筑过程 ( 9 6 0 h ) 中主要控制节点 的最 大拉应力变化 曲线见 图 4 ( 承台形心 节点 N 6 4 6 6 ) 图 5 ( 承 台 外表面中心节 点 N 4 0 5 1 ， 5 3 0 4 ， 5 1 4 6 ) ， 其 中 s代 表最 大拉应 力 ， A代表容许拉应力 。 3 2 墩 身温度应 力及 变形 墩身最 大 拉应 力 和温 度 变 形 见 图 6 、 图 7 ， 形 心 节 点 ( N 1 9 6 4 ) 及外表面 中心控 制节点 ( N 1 0 4 、 N 1 9 9 8 ) 最 大拉应力 曲线见 图 8 、 图 9 图 2 承台温度应力最大拉应力云图 图 3 承台温度变形 摩薄捧 一 一； 一 一 ：丰 二# 丰 丰 ) ； j j l ： l r 一i j 一 卜一 十一 E ：1一 ： ： t 二 = = = = l f 一 一 = = = 一i u - L 一 一 ， 一寸 一 蓬 _-_ l_ 一-0-一 ，- _寸 ：1 ： 二： 一 - 一 - - 1 一 + _ f 一 一 卜一 + 一 一 S ：N 6 4 6 6 一 最大 m l A：N 6 4 6 6 一 最大 =8 =8 =5 蜥 咖 咖 薹 l ； 。 弛 瑚 瑚 潞 一 N g z一 R趟 862 第3 7卷 刘耀 东， 等 ： 大体 积混凝 土桥墩 浇筑过程 中的温度 应力和变形研 究 第 2期 4 e 6 3 5 e 6 3 e 6 2 5 e 6 2 e 6 1 5 e 6 l e 6 5 0 0 0 0 O - 5 0 0 0 0 - 1 e d 一 1 5 e d -2 e d 应力和容许张拉应力 爿 r 一 一 l ， 。 J _ 一 一 图 5 承台外表面 中心节点最大拉应力及 容许拉应力变化 曲线 图 6 墩身最大拉应力云 图 3 e 6 2 8 e 6 2 6 e 6 24 e 6 2 2 e 6 2 e 6 1 8 e 6 1 6 e 6 1 4 e 6 1 2 e 6 8 o o8 8 8 6 O O 0 o o 4 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 O 4 e 6 3 5 e 6 3 e 6 2 5 e 6 2 e 6 1 5 e 6 l e 6 5 0 0 0 0 0 - 5 0 0 0 0 一 l e d 1 5 e d - 2 e d 应力和容许张拉应力 m S ： N4 0 5 1 一 最 大 m m A： N4 0 5 I -最 大 m S ： N5 3 0 4 一最大 e A： N5 3 0 4 一 最 大 a l m S：N5 1 4 6 - 最大 N N A ： N 5 I 4 6 _ 最大 -S u mma r y - -M a x ： 3 4 3 0 e +0 0 6 a t 9 6 0 0 0 0 -M i n ： - 7 9 2 6 e + 0 0 5 a t 9 6 0 0 0 0 图 7墩身温度变形 f j j f 一 r J 菲 二 一斗 卜 一卜 一卜4 卜 一卜一铲 卜 一 ：+ _L一lL一1l i ! j l I i 壁 ：j ：i：仁 ：二。 基 一一卜一+一十一什一斗一 藩 车 擀 。 景 8景 g 寮g g 宝 g 寮g 景g 昌g 寮 g g g -一H n n寸寸I n_ n 卜卜o o O 0 0| n 时间， h 一 图 8 墩身中心节点最 大拉应力及容许拉应力变化 曲线 应力和容许张拉应力 =： - ， 、 ， 、 f 一三 一 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 2 字导 禽 时 间， l l 昌 g寅 8 g宾 8 暑昌 、 。 卜卜 2 2 图 9 墩身外表面控制节点最大拉应力及容许拉应力变化曲线 m S ：N1 9 6 4 一 最大 N A：NI 9 6 4 一 最大 -S u mma r y - 一 Ma x： 3 4 4 8 e + 0 0 6 a t 9 6 0 0 0 0 一 Mi n：0 0 0 e + 0 0 0 a t 0 0 0 0 I NS ：N1 0 4 一 最 大 N N A：N1 0 4 一 最 大 I II I S ：N1 9 9 8 一 最 大 A ： NI 9 9 8 一 最大 。S u mma r y - 一 M a x ： 3 3 6 5 q 0 0 6 a t 9 6 Uo 0 0 一 Mi n：一8 4 9 0 e + 0 0 5 a t 9 6 00 0 0 ( 下转第 4 9页) 31 z v R础 0 n 0_【 0 0 0 _I e 0 0 0 0 0 0 卜 0 0 卜 0 n 0 0 。 n ” 主 。 。 时 0 寸 0 0 寸 0 n n 0 0 n 0 n N 0 0 N 0 n _1 0 0 0 ” 0 3 33 一 奢 N 一 出 一 N v 、 R幽 第 3 7卷 姚 流浩， 等 ： 浅谈建设工程合 同管理 第2期 严格依法进行管理。这 样 ， 我们 的管理行 为才 能有效 ， 也才 能提高我们的建设 工程合 同管理的水平 ， 也才能解决建设领 域存在的诸多问题 。 4 2 普及相关 法律知识 ， 培养合 同管理人 才 在市场经济条件下 ， 工程建设领域的从业人员应当增强 合 同观念和合 同意识 ， 不论是施 工合 同中的工程 师 ， 还 是建 设工程合同的当事人 ， 以及涉 及有关合 同的各类 人员 ， 都应 当熟悉合同的相关法律 知识 ， 增 强合 同观念 和合 同意识 ， 努 力做好建设工程合 同管理工作。 4 3 加强工程招投标 管理 ， 建立与 工程量清 单相 配套 的工 程 管 理 制 度 、 合 同管 理 制度 。 4 4 建设合 同管理 目标制度 这样 ， 才 能 有效 的督 促 合 同管 理 人 员 提 高 合 同 管 理 水 平 。 4 5加强施 工合 同索赔管理工 作， 是培 育和发展 建设 市场 的 一 项 重要 内容 4 6 推 行 合 同示 范 文本 制 度 使用标准化 的范本签订合同 ， 对完善建设工程合 同管理 制度起 到了极大 的推动作用 ， 而且有利于促进建筑市场 的健 康 、 有序发展 ， 应该严格执行 。 5 结 论 我们要进一步规范合 同管 理 ， 维 护建筑市 场秩序 ， 避免 在合 同履行过程 中由于合 同签订不规范造成的纠纷 ， 从而保 护合 同当事人 的合法权益。 参 考 文献 1 中国建设监理协会 建设工程合 同管理( 2 0 0 6年版 ) M 北京 ： 中国计划 出版社 ， 2 0 0 6 2 黄景媛 工程施工招投标 M 北京 ： 人民交通出版社 ， 2 0 0 5 ( 上 接 第 3 1页) 3 3 承 台 、 墩 身 应 力 变形 分 析 从温度应力云 图可以看 出， 浇筑 初始 阶段 ， 温 度场 变化 不大， 温度应力 较均衡 。随着 施工 的进行 、 水化程 度 的加 深 以及对流 的形成与加速 ， 温度 场 出现 了显著 变化 ， 温度梯 度 逐渐形成 。在混凝 土周 围边界约束下 ， 混凝土 的内部形 成了 明显 的应力场 ， 其温度应力等值 线呈 圈状分布 。 承 台中心点及承 台外表面 中心点的温度应 力随着水 化 程度 的进行在 3 4 d时达到第一个峰值 ， 最大拉应力出现在 承 台上表面中心 ， 应力值 为 2 4 8 MP a 。温度应 力在 第 1 O 1 1 d时达到最低 。 由于管冷通水时间为 1 0 d ， 此后由于中心点散热条件较 差 ， 混凝土在水化热 的作 用下会 持续升 温 ， 拉 应力也 逐渐增 大 ， 直到整个桥墩施 工完成 。尽 管拉应 力值不 断增大 ， 但并 未超过容许应力 ， 应力值基本可 以控制在 2 8 MP a以内。承 台外表 面由于散热条件较好 ， 通水结束后应力 继续降低并趋 于稳定 。从温度应力 的变化情 况可 以看 出管 冷技术对 降低 混凝土温度和混凝土拉应 力都起 到了很 重要的作用 ， 特别是 对结构 中心 区域效果显著。 墩身的温度应力变化情况 与承台类似 ， 在 0 8 0 h应力值 逐步增 大， 随后下降并趋于稳定 ， 最大拉应力 出现在结构外侧 面 ， 应力峰值为 1 7 4 MP a 。从墩身 的拉应力变 化情 况也能 明 显看出管冷通水 1 0 d 结束后拉应力 的变化情况 ， 只是 由于墩 身的散热条件较承台优越 ， 拉应力仅略有升高即趋于稳定。 从位移变形 图形可以看 出， 在承台浇筑过程中 ， 由于 中部 的混凝 土受到四周的约束 比边缘 的混凝土大 ， 其变形相 对边 缘混凝土小 ， 形成 了混凝土 四周翘起 ， 中间维持 不变 的情形 。 墩身的变形 图也表明， 墩身外侧四周略向外膨胀 ， 墩 身中心区 域变化很小 ， 在墩顶形成一个 沿长边中心的椭圆形 凹陷区。 4结论 1 ) 大体 积混凝土 承台在温度 梯度 和边界 约束共 同作用 下会产生温度应 力 ， 管冷系统通水时最大拉应力 出现在 承 台 上表面 中心 ， 应力 2 4 8 MP a 。停 止通水后 承台中心拉应力继 续增 大到 2 8 M P a ， 承台表面拉应力 持续降低趋 于平 稳。拉 应力的变化表 明管冷对承台中心的温 度应力作用显著 ， 冷却 效 果 明显 ； 2 ) 通水状况下墩身 温度应力峰值出现在结构外表面 ， 拉 应力 为 1 7 4 MP a 。停止通水后 墩身 中心拉应 力 回升到峰值 附近后不断降低并趋 于平稳 ， 墩身 表面拉应力 继续 降低 ， 但 速率 略缓 ； 3 ) 温度应 力促使承 台及墩身变形 ， 在约束作用下结构 变 形呈现外侧和 四周 自由边变形 量大 ， 靠 近结构 形心 ， 变形小 的形态 ； 4 ) 在管冷 作用下大体 积混凝 土桥墩在 浇筑过程 中温度 应力及变形均未超 过容许值 ， 结构控 制点位移变形和温度应 力 图形 ， 以及控制点 的温度应 力与容许 应力 的 比较 ， 为大体 积温度控制技术提供 了理论支持 。 参 考 文 献 1 余天庆、 刘耀东 ， 等 郑州黄 河公铁两 用桥承 台和墩身 防裂理论 与混凝土温控技术研究报告 R 武 汉 ： 湖北工业 大学 土木工程 与建筑学院， 2 0 0 8 2 朱伯芳 考虑水管冷却效果 的混凝土 等效 热传导 方程 J 水 利 学报 ， 1 9 9 1 ， ( 3 ) ： 2 8 3 4 3 刘海成 ， 等 考虑温度影响 的大体积混凝土应力场 分析 方法 J 】 大连理工大学学报 ， 2 0 0 5 ， 4 5 ( 1 ) ： 1 2 1 1 2 7 4 彭诗 明 大体积混凝土结构有 限单元法应用研究 D 武汉大 学 硕士学位论文 ， 2 0 0 5 5 林志祥 混凝土大坝温度应力数 值模拟分析关键技 术研究 D 河海大学博士学位论文 ， 2 0 0 5 6 叶琳 昌， 沈义 大体积混凝土施工 M 北京 ： 中国建筑工业 出版 社 。 1 9 8 7 7 刘高琪 温度场 的数值模拟 M 重庆 ： 重庆大学 出版社 ， 1 9 9 0 8 孔祥 谦 有 限单 元法 在传 热 学 中的应 用 M 北 京 ： 科 学 出版 社 1 9 9 8 49