大体积承台混凝土水化热温度有限元分析与控制.pdf

2 0 1 2年第 9期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i n ee r i n g 4 7 文 章编 号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 2 ) 0 9 0 0 4 7 0 3 大体 积承 台混凝土水化热温度有 限元分析与控制 赵 常 煜 ( 中国铁建十二局集 团有 限公 司 ， 山西 太原0 3 0 0 2 4 ) 摘要 ： 对某大桥承 台混凝土施工期水化热温度进行有 限元模拟分析， 并现场监测混凝土水化热温度， 有 限元模拟与现场监测的温度发展趋势和承台混凝土最高芯部温度吻合 良好。有限元模拟是预测水化热 温度 的有效工具 ， 有限元模型边界条件、 承台浇筑进度等与实际的差异是影响模拟精度的主要 因素。研 究表 明： 降低混凝土入模温度 ， 优化原材料配合比， 布设冷却水管， 良好的保温保湿措施等是水化热温度 控制的有效措施。采用计算、 监测 以及原材料控制， 现场养护等综合技 术措施 ， 避免 了大体积承台混凝 土施 工期 的温度 裂缝 。 关键 词 ： 大体 积 混凝 土 水化 热温 度有 限元 分析控制 中图分 类号 ： U 4 4 5 5 5 9文献 标识 码 ： A DOI ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 2 0 9 1 4 某 客 运 专 线 特 大 桥 主 桥 为 七 跨 一 联 混 凝 土连 续 梁 ， 桥跨布置为( 4 8+ 58 0+4 8 ) IT I ， 采用悬臂浇筑法 施 工 。主河 槽 内有2 1 0 6 2 1 1 1 等 6个 主墩 ， 桥 墩 承 台尺寸 为 1 3 6 I n1 5 2 I n 4 0 n fl ， 一 个 承 台约 C 3 0 混凝土 8 2 7 1 T I ， 属于大体积混凝土 。为保证承 台大体 积 混凝 土 的施工 质 量 ， 对 承 台混 凝 土 因水 化 热 引 起 的 温度变化进行科学分析和有效的温度控制是十分必要 的。本 文介 绍 针 对 该 桥 承 台 混 凝 土 温 度 的 有 限元 模 拟 ， 现场监测及温控措施 ， 为同类工程提供有益参考。 1 承 台水化热有 限元分析 1 1有 限元 模型 采 用结 构分 析 软 件 MI D A S建 立 了 大桥 主 墩 桩基 承台的水化热分析有限元模型。将地基模拟为具有一 定 比热和热传导率的结构 ， 与承 台一起参与水化热分 析 ， 建模 时周边 地基土尺寸取 为 1 9 2 I n1 7 6 i n 4 0 IT I ， 模型中考虑了冷却水管 ， 有限元模型见图 1 。 图 1 承台水化热分析有 限元模 型 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 0 2 - 2 1 ； 修 回日期 ： 2 0 1 2 0 5 3 1 作者 简介： 赵常煜( 1 9 7 O 一 )， 男 ， 山西晋 中人 ， 高级工程师。 1 2 相 关计 算参 数 承台混凝土理论配合 比见表 1 。根据相关技术资 料 ， 计算 了混 凝 土 的热 学 性 能 指标 包 括 导热 系 数 A和 比热 C 。采用复合指数式水化热计算方法 ， 估 算混凝 土最大绝热温升为 4 0。根据施工方案 ， 承台混凝土 四周采 用钢 模板 ， 顶 面混凝 土 保 温材 料 为 3 0 mm厚 棉 被和 0 1 mm厚塑料布。保温 材料 导热系数 见表 2 。 模 型环 境温 度取 为 固定 值 1 8。 I = ， 地基 边界 为 固定 温 度 条件， 温度值也取 1 8。冷却水 管 内径 0 0 4 8 I n ， 水 流 速度 为 0 6 m s 。 1 3 计 算 结果及 分析 为了研究承台大体积混凝 土 内部和表 面温度 发 展 ， 在有 限元分析 和现场测试 中分别取 1 4承台的顶 面 、 深 2 m， 深 4 m处各 8个测点进行研究。测点布置 如 图 2所示 。 本 文针 对混 凝土 浇筑 后 的水化 热温度 场进 行 了有 限元模拟分析 。取如图 2所示每层测点温度的平均值 代表该层温度 ， 则承台顶面、 深 2 m和深 4 i n位置处混 凝 土 温 度 随 时 间 的发 展 曲 线 如 图3 所 示 。 计 算 结 果 表 表 1 承 台混凝土理论 配合 比 k g m 保温层厚度 m 0 0 2 0 0 3 0 0 0 0 1 导热系数 ( k J ( in h o C) ) 1 6 3 2 9 0 1 5 4 9 0 1 2 5 6 4 8 铁道建筑 5 5 5 0 4 5 芝4 o 赠 3 5 3 0 2 5 图 2温度 测点布置 ( 单位 ： c n ) 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 时间， h 图 3 承 台水化热温度计算值随时间变化情况 明 ， 承台大体积混凝 土温度上升较快 ， 大约在浇筑后 9 0 h时混 凝 土 温 度 达 到 最 大 值 ， 混 凝 土 表 面 温 度 为 4 6 2 ， 2 m 和 4 I n处 混 凝 土 温 度 分 别 为 5 2 和 4 2 6 。达 到最 高温 度后 ， 2 m 和 4 m 处 混 凝 土温 度 下降比较慢 ， 表面温度下降相对较快。8 0 0 h时， 表面 温度 已经接 近环 境 温度 ， 而 2 m 和 4 m 处 的混 凝 土温 度仍然处于 3 5 4 0 的水平 ， 说明大体积混凝土 的内部放热是一个持续而漫长的过程。 大体积混凝土内外温差直接导致混凝土收缩不均 匀 ， 从 而引起 混凝 土 的开 裂 。 因此 需要 对 承 台混凝 土 的最大 温差 进 行研 究 。本 文 取 图 2所 示 承 台表 面 和 2 m深 的对 角线 上 的测 点 为 研 究 对 象 ， 对 承 台最 大温 差进行分析 。测点 z l至 z 8的平均值为混凝土芯部温 度 ， 测点 1 8的平 均 值 为 混 凝 土表 面 温 度 ， 混 凝 土 内 外 温差 随 时间 的 变 化 见 图 3 。最 大 温 差 出现 在 3 0 0 h 左 右 ， 约为 9 5 c I 二 ， 2 0 ， 混 凝 土 内外 温 差 满足 相关 规 范要 求 。 为了分析冷却水管的作用 ， 对 比分析了有限元模 型中有无冷却水管的计算结果。有无冷却水管的情况 下 承 台顶 面 以下 2 m位置 处混 凝土 温度发 展 曲线如 图 4所示 。由图 4可以看 出， 冷却水管对于承台混凝土 降温作用 比较明显。尤其是对于承台芯部混凝土的降 温 效果 更 为显 著 。2 m深 处 的混凝 土 最高 温度 由无 冷 管作用 下 的 5 9 降 为有 冷 管 作 用下 的 5 2 ， 降温 幅 度 约 1 2 。这 主要是 因为 中心 部位 不 易 向外 散 热 ， 温 0 2 00 4 00 60 0 80 0 时 间， l 图 4承 台 2 I l l 处混凝土温度 度 较高 ， 与冷却 水之 间 的温差 大 ， 二者 之 间热量 交换也 就较 多 。 2水化热温度现场监测 2 1监测 方案 为了更好地对承台混凝土进行水化热温度控制 ， 在 有 限元 分析 的基 础 上对 承 台进 行温 度 监 测 ， 从 而 更 好 地保证 承 台大体积 混凝 土 的施 工质 量 。承 台内布设 测温元件 ， 测点布置如图 2所示 。测温时间间隔为2 4 h ， 随 时 检 查 混 凝 土 的 内 外 温 差 是 否 在 容 许 温 差 2 0 以内 。根据 实测数 据 ， 后期适 当延长测 温 间隔 。 2 2监 测结 果分析 为方便与有限元计算结果对 比， 取每层现场监测 数据的平均值代表该深度的实测值 ， 模拟计算与实测 值的比较如图 5所示 。实测与有限元计算结果的总体 发展趋势一致 ， 芯部温度峰值 的实测值与计算值基本 吻合 ， 说明有限元模拟具有较好的实用性 。由于有 限 元模拟的边界条件很难与实际环境完全相符 ， 顶层 和 底层的实测温度与计算值有一定差距。实测数据有一 定波动性 ， 主要原因为测试管路与外 界大气有少 量的 热交换 ， 导致 测试 值受 到昼夜 环境 温度 的影 响 。另外 ， 现场 混凝土 浇筑 进度 不 规则 ， 有 限元 模 拟 难 以 与 实 际 一 致 ， 计算值 的整体表现与实测 曲线有一个时差 。该 桥承 台混凝 土 水化期 间 的内外 温差在 1 0左右 ， 满 足 相关施工规范的要求。 3 水化热温度现场控制措施 该桥承台混凝土水化期间的内外温差控制到位 ， 未发现温度裂缝。良好的温度及温差控制效果与施工 过 程 中的控制 措施 有密 切关 系 。该 桥承 台施工 期 的温 控措 施 主要有 以下 几个方 面 。 3 1控 制入 模温度 降低混凝土浇筑时的入模温度可以有效降低混凝 如 柏 p、 赠 2 0 1 2年 第 9期 大体积承 台混凝土水化热 温度有 限元分析与控制 4 9 时 间， l ( a ) 上表 面温度理 论值 与实测 值 时间， h ( b ) 芯部温 度理论值 与实测值 图 5 承 台温度值 土的温度峰值及内外温差。承台混凝土所用骨料提前 存储在料棚内， 并洒 水降温 ； 水泥提前进仓冷却 ， 避免 水泥本身温度过高 ； 将混凝土搅拌运输车 、 混凝土输送 泵管遮盖 、 洒水 ； 混凝土入模前通过洒水等措施尽量降 低模 板 、 钢 筋 温 度 以 及 附 近 的气 温 ； 混 凝 土 加 冰 搅 拌 等 。通过 以上 措 施 ， 保 证 混凝 土 入 模 温 度 为 1 5 1 8。混凝土的入模温度不高于气温 ， 为承台大体积 混凝 土水 化 热温度 控制 奠定 了基 础 。 3 2采 用低 热原材 料 为 了减 小混凝 土 的水 化 热 ， 该 桥 台采用 了低 水 化 热的水泥， 用适量粉煤灰取代一部分水泥以削减水化 热产生的高温峰值。掺加适量减水剂 ， 有效地减少 了 拌合水用量 ， 从而可以进一步降低混凝土的温度。 3 3调 节混 凝土 内外温 度 通 过冷 却水 管和 承 台保 温 措施 调节 混凝 土 内外温 度 ， 减小 承 台混凝 土 内外温 差 ， 防止混 凝 土开裂 。承 台 设 置 了 3层 冷却水 管 ， 每一 层 均 能 构 成 独立 的循 环 水 系统 。浇筑混凝土时通过 3台水泵循环冷水降低混凝 土 内温度 ， 取得了显著效果 。承台混凝土初凝后 ， 首先 用塑料布覆盖其表面 ， 然后上面铺设棉被保温， 并将棉 被 用塑料 布覆 盖 ， 防止 下 雨 淋湿 棉 被 。在 承 台 四周 模 板上包裹棉被并外包塑料布来保温。养护期间定期检 查顶 部 塑料 布 内是 否 有 足够 的凝 结 水 ， 否 则 勤 洒 水 以 时 间， h ( C ) 第 三层测点温 度理论值与 实测值 保 持混 凝 土表 面时刻 处于 湿润状 态 。 4 结 语 为 了有 效控 制该 桥大 体积 承 台的水化 热 温度及 内 外温差 ， 施工单位项 目部开展了技术攻关 ， 通过有限元 模 拟分 析 、 合理 的原 材料 配合 比、 及 时 的现场 温度监 测 及有效的施工期养护措施等综合技术， 很好地控制了 混凝 土 的 内外 温差 ， 确保 了承 台 的实体质 量 。 参 考 文 献 1 崔容义 大跨度桥 梁边墩水 化热 温度场分 析与合 理温控措 施研究 J 铁道建筑 ， 2 0 1 1 ( 7 ) ： 3 6 3 8 2 李 欧 ， 黄元 桥梁工程 中承 台大体积混凝土冬季施工 的温度 控制 J 中国水运 ， 2 0 0 9 ， 9 ( 2 ) ： 2 0 0 2 0 1 3 闫松涛 ， 周世军 肇兴大桥承 台大体积混凝土施工温度控制 J 西部 交通科技 ， 2 0 0 9 ， 2 6 ( 8 ) ： 9 6 9 9 4 彭兵 田 承台大体 积混凝 土水化 热试 验分 析 J 水运工程 ， 2 0 0 5， 3 7 8( 7 )： 2 0 - 2 2 5 张海龙 斜拉桥 主梁混凝 土水化 热 的实 验与分析 研究 J 中国市政工程 ， 2 0 0 3 ( 6 ) ： 3 0 3 2 6 付 国才 锚锭 大体 积混凝 土冬季 施工技术 J 铁 道标准设 计 ， 2 0 0 3 ( 1 2 ) ： 8 3 8 5 ( 责任 审编赵其文)