基于仿真分析的大体积混凝土施工方法研究

■闫宗山，李福如 ■山东省公路桥梁建设有限公司，山东 济南 250000

由于水泥凝固产生水化热，大体积混凝土浇筑后内部温度急剧上升。此时弹性模量很小，徐变很大，升温引起的内部应力不大。但在随温度逐渐降低，弹性模量变大，徐变较小，则内部会产生较大的应力［1］。另外，结构暴露在空气中，表面与空气或水接触，随气温和水温的变化在大体积混凝土内部会引起相当大的应力，这些都需要依靠混凝土自身来承受［2］。因此，在现实中很难满足设计要求的“不出现拉应力”或“不高于限值”。所以如何将温度应力限制在允许范围内，有效控制温度裂缝的产生仍是大体积混凝土结构设计及施工中的重要课题［3］。本文以工程实例为背景，从数值分析理论入手，借助ABAQUS程序，对某地锚式悬索桥锚碇混凝土施工进行温度场及应力场仿真分析，以期对施工方案中分层、分段施工提出了合理化建议，正确指导施工方案。

1 工程背景

本文工程背景为一座双塔三跨双索面地锚式悬索桥，跨径组合为:38m+420m+47.5m，主缆间距3.5m，桥面宽度2.4m，型钢-混凝土组合式加劲梁，重力式锚碇，锚体均为C30 混凝土，结构布置如图1。谷底与桥面高差约143m，混凝土采用接力泵送，南山锚碇平面尺寸为:14×24m，高16m，混凝土总方量4724 方，泵送高差约160m;北山锚碇平面尺寸为:12 ×20m，高12.5m，混凝土总方量2090 方，泵送高差约180m。

图1 结构布置图

2 数值模拟及结果分析

2.1 模型概述

图2 南山锚碇有限元模型图

基于上述结构特点，以南山锚碇作为分析实例，用ABAQUS 程序对大体积混凝土锚碇结构采用实体单元进行建模。单元类型为八节点热耦合六面体单元［5］(C3D8T)。划分网格后的模型如图2 所示，其中模型单元总数为34468 个。

2.2 模型建立

锚碇为大体积混凝土结构，施工时采用分层浇筑的方法［3］。为确定合理的分层参数，研究中应选取几种不同的分层工况，分别建立有限元模型。对每个浇筑层分别建立一个分析步，用ABAQUS 软件中的单元生死技术控制不同分析步中每个浇筑层所对应单元的无效与激活［4］，从而达到模拟分层浇筑的目的。

2.3 模拟结果分析

2.3.1 分层浇筑对温度场及应力场影响分析

以南山锚碇为例，其总高度为16m，考虑目前山区混凝土拌合、浇筑能够满足的方量、质量控制等方面要求，将其按照厚度方向均匀分层，取6 层、12 层、18 层、24 层四种不同的浇筑方案进行模拟。分层模型构建如图3。

图3 南山锚锭二十四层浇筑模型

图4 施工期温度与浇筑分层关系曲线

经计算分析，可以求得南山锚碇施工浇筑过程中各层最高温度，见表。

表1 南山锚碇二十四层浇筑方案各层最高温度

提取各个工况下的最大温度应力值，得到表2。

表2 南山锚锭各工况应力值

表3 南山锚锭分层浇筑温度变化值

将各工况中温度取平均值汇总，得到随分层数变化时最高温度变化曲线，见表3、图4。

《GB50496-2009_大体积混凝土施工规范及条文说明》中的基本规定为:混凝土浇筑后的温升值不宜大于50℃。根据模拟结果可知，初始入模温度为20℃，工况三中混凝土内部最高温度为66.96℃，工况四最高温度为57.95℃，温升值均能满足规范要求。但工况三中最大温度应力1.65Mpa(拉)，对于施工期混凝土偏大。工况四的最大拉应力值已降至1.0MPa(拉)，可满足要求。因此建议采用工况四分层浇筑方案。

2.3.2 分段浇筑对温度场及应力场影响分析

图5 南山锚锭分层分段浇筑工况

为研究分段浇筑对温度场的影响，以南山锚碇为例，在各分层工况的基础之上每层各分为两段进行浇筑，对每个浇筑段分别建立一个分析步，建立模型，分析其温度场。

将各工况中温度场及应力场变化情况进行汇总，并与未分段时的温度值、应力值作对比，所得数据见表4，表5。

表4 南山锚锭分段施工温度对比

表5 南山锚锭分段施工应力值对比

可见，分两段施工后，最高温度下降不明显;但混凝土内部最大拉应力明显下降。可见在大体积混凝土的浇筑过程中，分层浇筑有助于散热，有效降低混凝土内部温度，而在相同的分层情况下分段浇筑可以降低混凝土的最大拉应力，二者都是防止出现温度裂缝的有效方法。

2.3.3 冷却水管对温度场及应力场影响分析

大体积混凝土在施工过程中常采用冷却水管降温的方式降低混凝土的温度峰值。因此在有限元分析时也对加入冷却水管的情况进行模拟，分析冷却水管的降温效果。对南山锚碇，选择6 层、12 层、18 层的分层形式，分别通模拟通入10℃、15℃、20℃的冷却水，共组成9 个工况。

计算分析各工况下的温度场及其应力场最大值，并与未加入冷却水管时的温度值、应力值进行对比，所得数据见表6、表7。

表6 冷却水管对温度值的影响

表7 冷却水管对应力值的影响

由计算结果可见，加入冷却水管后，混凝土浇筑过程中的温度值、应力值均下降明显。18 层浇筑方案中温度及应力计算值已经小于未加冷却水管时24 层浇筑方案计算值。因此，通水冷却是主动控制混凝土温度场的有效措施。

2.4 数值模拟与传统计算结果对比分析

图6 最高温度-浇筑厚度曲线对比图

(1)根据传统公式计算所得的混凝内部最高温度与浇筑层厚度的曲线如图6 所示，与有限元模拟相差较大。公式计算温度偏低，偏于不安全。

(2)同时，公式中只点出了温度值与浇筑层厚度有关，没有考虑分段对温度场的影响，而数值模拟的计算结果更为准确、全面。

(3)规范只对最大温度变化值进行了控制，传统公式计算也只能进行温度计算。数值模拟能够同时对温度场、应力场进行分析，且从计算结果分析中可以看出大体积混凝土施工控制中对温度应力的控制更加关键。

2.5 数值模拟与实测结果对比分析

为验证数值模拟结果的可靠性，施工过程中在南山锚碇中埋入了多个温度传感器，记录混凝土温度随时间变化曲线，再将测得的温度曲线与有限元模型中对应位置的温度曲线进行对比。如下图所示为其中三个测点的对比结果。数值模拟的结果与施工实测值所得的变化曲线趋势一致，温度值也较为接近。因此，本项目采用的数值模拟结果符合工程实际，能够较好的为设计、施工提供依据。

图7 温度-时间曲线(测点1)

图8 温度-时间曲线(测点2)

图9 温度-时间曲线(测点3)

3 结论

(1)借助ABAQUS 程序，对大体积混凝土结构施工进行温度场及应力场双向仿真分析，较传统计算方法结果更有效准确。

(2)根据分析结果可知:大体积混凝土施工控制中对温度应力的控制更加关键。

(3)经过实测验证，本文采用的数值模拟结果符合工程实际，能够准确全面的指导工程设计及施工方案制定，有利于施工质量的保证，同时也为类似工程问题提供实践参考。

［1］王铁梦.工程结构裂缝控制［M］.北京:中国建筑工业出版社，1997:62-68.

［2］朱伯芳.大体积混凝土的温度应力与温度控制［M］.北京:中国电力出版社，1999:.

［3］邵世明.筏板基础大体积混凝土温度控制与现场监测［J］，淮南职业技术学院学报，2005.5(1):21-24.

［4］王建，刘爱龙.ABAQUS 在大体积混凝土徐变温度应力计算中的应用［J］.河海大学学报:自然科学版，2008，Vol.36，No.4:532-537.