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大体积混凝土水化热温度应力分析

2021-01-05 10:19 作者:e胜博官网 点击:

  (1.重庆永键建设工程管理有限公司,重庆400061;2重庆对外经贸(集团)有限公司,重庆401121)

  在港口码头及大型桥梁的承台、锚碇等大型结构中,大体积混凝土的使用愈发广泛。同时大体积混凝土的水化热也给工程带了诸多问题,这就需要采取必要的措施来分析并解决问题。水化热是混凝土在凝结过程中,由于水泥的水化作用而释放热量,释放的热量称为水泥的水化热。水泥加水后,水泥中各种矿物与水发生水化反应,生成一系列新的化合物,并放出热量。对大体积混凝土而言,混凝土开裂最主要的原因是干缩和温度应力。大体积混凝土浇筑后由于水泥水化放热作用,将经历诱导期、升温期、降温期和稳定期4个阶段,在这4个阶段中混凝土的体积亦随温度的升降而相应膨胀或收缩,各块混凝土体积变化受到约束时就会产生温度应力,如果该应力超过混凝土的抗裂能力,混凝土就会开裂

  寸滩长江大桥位于重庆机场专用快速路工程南段,全长1.6km,里程桩号范围k2+600~k4+200,为城市快速路,设计速度80km/h,双向8车道,包括跨江主桥和南北引桥两部分。跨江主桥为主跨880m的单跨双塔钢箱梁悬索桥,主缆锚固系统采用后锚梁锚固系统,两岸锚碇为重力式结构 (见图1、图2),锚碇上方为桥梁路基。

  寸滩长江大桥北锚碇基础为扩大基础形式,基础平面尺寸为56m×58m,基座以上扣除锚体需要空间,均采用片石混凝土压重。为了增加抗滑安全度,及节约基础混凝土数量,基底采用阶梯式。基础混凝土约2.7×10

  3,压重片石混凝土约7300m3,基坑开挖量约19.5×104m3。锚体从结构受力和功能上分为锚块、散索鞍鞍部、前锚室及压重块。为架设定位架和安装锚固系统,将基础顶板部分2次浇筑,先将混凝土浇筑到高程+220.00m,待锚固系统安装完成后,浇筑其余的2.0m。

  对于水化热的分析研究,传统的理论计算公式中对内部混凝土的降温只考虑混凝土浇筑厚度和龄期,未考虑混凝土外部环境温度和混凝土表面具体保温层,对大体积混凝土施工的指导相对于有限元计算具有局限性。

  有限元计算方法计算水化热可综合考虑具体实际工程中混凝土材料、保温材料以及外界环境因素的影响,有水化热参数化分析功能,可将多种条件的分析在一个模型上实现,减少反复的分析过程,工作效率得到很大提高。虽然有限元分析软件功能非常强大,可是由于大体积混凝土水化热模拟分析十分复杂,且一般大体积混凝土施工周期长,在施工中存在各种条件的变化,不确定因素很多,因而,有限元软件分析混凝土水化热在计算模拟分析时仍然存在着一些问题。(1)大体积混凝土体积非常庞大,通常计算划分网格较多,且由于施工周期长,施工过程分析步骤较多,因此计算时间需要较长,且对计算机的硬件要求较高。(2)在大体积混凝土结构的施工过程中,影响其温度变化的因素有很多,既有自然因素也有人为因素。气温变化、雨雪天气、日照影以及水管冷却、浇筑顺序、养护方式等的计算精确模拟均有一定难度。下面将展开对两种方法的讨论研究

  3。取混凝土的入模温度为25℃,中心最高温度为25℃+38.7℃=63.7℃。绝热温升数值模型取双曲线函数:

  ax为绝热最高温升;α,β为绝热温升变化系数;τ为时间。3.2 弹性模量

  1为最终弹性模量与初始弹性模量之差;τ为时间;α,β为与弹模增长速率有关的参数。3.3 徐变度

  水冷管采用直径45mm,内径1.2mm钢管。水冷管通水时间为10d,冷却水管流量为2m

  模型中还用到的计算参数有:基础混凝土导温系数取为1.457,锚体混凝土导温系数取为1.321,基础混凝土的最大绝热温升为42.7℃,锚体混凝土的最大绝热温升为38.7℃,时间差异因子为0.5,地基的强制温度采用10℃,混凝土的入模温度采用15℃

  采用M IDAS/FEA进行大体积混凝土水化热计算。由于北锚碇施工工期较长,难以推测其施工过程中的环境温度变化。因此,在模型中采用以恒定的温度变化来进行模拟。按照施工的过程,锚碇的施工是分层分块施工的,因此,水化热的分析可以按照分层分块来进行分析。由于锚碇是对称结构,分层分块也是对称的,可以取结构的一半来进行水化热的分析。北锚碇锚块水化热有限元模型如图3所示。

  将模型中冷却水的流量定义为零,即可得到没有水冷管时结构的温度变化。取锚碇第六层某一测点分析该点在有无水冷管2种工况下的温度变化情况

  降低水化热措施如下:1)用改善骨料级配、降低水灰比、掺加混合料、掺加外加剂等方法减少水泥用量。

  4)混凝土用料要遮盖,避免日光曝晒,并用冷却水搅拌混凝土,以降低入仓温度。

  6)混凝土浇筑后要注意覆盖保温,加强养生;遇气温骤降的天气应注意保温,以防裂缝。

  大体积混凝土水化热易使结构内外产生较大温差,从而使混凝土产生裂缝、变形甚至破坏。因此,施工中严格控制混凝土浇筑温度、浇筑间歇期和内表温差,通过采取有效的技术措施,防止大体积混凝土产生裂缝及其他病害,从而保证工程质量。同时,也可以研究新型水泥材料来降低水泥水化热。

  【1】朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京:中国水利水电出版社,2012.

  【2】GB 50496—2009大体积混凝土施工规范[S].【3】任文鹏.寸滩长江大桥锚碇大体积混凝土施工过程温控措施研究[D].重庆:重庆交通大学,2015.

  【4】张研,韩林,蒋林华,等.大体积混凝土温度应力与裂缝控制[M].北京:科学出版社,2014.

  【5】王磊,杨培诚.大体积混凝土水化热施工期温度场及应力场仿真分析[J].北京:交通科技,2010(3):96-98.

  【6】尹成柱,曹振民,任鸿鹏,等.特大桥承台混凝土施工温度场和温度应力场分析研究[J].中外公路,2011,31(1):144-148.

  刘晓涛(1973~),男,重庆人,高级工程师,从事大体积混凝土工程设计与研究。

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