基于有限元分析的码头胸墙控裂工艺优化

李康，王炳

基于有限元分析的码头胸墙控裂工艺优化

李康，王炳

（中交一航局第五工程有限公司，河北秦皇岛066000）

为了减少或避免码头胸墙混凝土产生有害裂缝，探索应用有限元软件按照胸墙实际尺寸建立仿真分析模型，分别对码头胸墙不同分层分块施工工艺进行了仿真模拟分析。在对比分析温度应力变化情况的基础上，研究确定了最优的胸墙施工工艺。实践结果表明，胸墙未出现有害裂缝，达到了预期的施工质量及效率要求。

胸墙；温度应力；裂缝控制；施工工艺

1 工程概况

某码头装船工程新建3.5万吨级装船泊位1个，码头结构为重力式沉箱结构，共22个沉箱，码头上部为现浇C40混凝土胸墙结构，总长375 m，标准段长度为18.4 m，高4.8 m，顶宽2.5 m，底宽12.3 m。C40混凝土配合比如表1所列。

表1 C40混凝土配合比Table 1C40 concrete mix ratio

码头胸墙结构主要由胸墙主体、面层、现浇盖板等组成，其断面形式如图1所示，胸墙结构示意图如图2所示。根据以往实际施工经验总结，胸墙结构施工均采用分层分段结构处理。分段长度以10 m以内为优，分层位置以盖板、主体及面层（护舷孔等）为准则，具体需要考虑因素有：1）现浇胸墙的高度、长度；2）护舷等靠船设施的品种、高度及数量；3）胸墙底部高程与施工水位的关系；4）胸墙混凝土浇筑工艺。

图1 标准段胸墙断面图Fig.1Sectional drawing of parapet at standard segment

图2 胸墙结构示意图Fig.2Structure diagram of parapet

为了找到有利于裂缝控制的最优施工工艺，结合胸墙结构形式，确定了4种胸墙浇筑施工工艺分析工况（见表2），每块或层的浇筑施工时间间隔为4 d左右。

表2 胸墙浇筑施工工艺分析工况Table 2Analysis condition of parapet pouring construction process

2 胸墙施工工艺有限元仿真分析

通过应用有限元软件midas，建立胸墙有限元分析模型[1-2]，分别对胸墙4种浇筑工况进行仿真模拟分析，从而找到合理高效的施工工艺。

2.1 有限元模型的建立

根据胸墙结构实际尺寸建立有限元分析模型，并根据表1所列配合比水泥和粉煤灰的用量，胶凝材料水化热折减系数取0.9[3]，折算后的水泥用量当量值为391.5 kg，水泥水化热按经验值取为3 d：248.3 kJ/kg，7 d：305.6 kJ/kg。

胸墙施工工艺有限元仿真计算参数的取值如表3所示。大拉应力最小，抗裂安全系数最大，但施工持续时间最长；

2.2 浇筑工况有限元仿真分析结果

胸墙4种浇筑工况有限元仿真分析时长均为30 d，分别对4种工况下的温度场和应力场进行计算[4-6]。根据相关规范，C40混凝土轴心抗拉强度标准值为2.39 MPa，粉煤灰对混凝土抗拉强度影响系数λ取1.03，分别计算胸墙4种工况下的混凝土抗裂安全系数，计算结果如表4所示。

对上述4种工况计算结果分析如下：

1）工况一胸墙混凝土内部最高温度最低，最

表3 胸墙有限元仿真计算参数Table 3Finite element simulation calculation parameters of parapet

表4 胸墙4种浇筑工况有限元仿真分析结果Table 4Finite element simulation analysis results of four parapet pouring conditions

2）工况三虽然施工持续时间短，但胸墙混凝土内部最高温度最高，最大拉应力最大，抗裂安全系数最小，对于裂缝控制非常不利；

3）工况一对裂缝控制效果最好，但将胸墙分四块进行施工，具有施工过程复杂、持续时间长等不利因素，施工效率最低。

综上所述，拟采用工况二进行施工。但抗裂安全系数仅为1.12，不满足规范关于抗裂安全系数不小于1.15的规定，因此还需要进一步采取裂缝控制技术措施，以达到防止开裂的目的。

3 胸墙裂缝控制技术措施

综合分析以上有限元计算结果，施工过程中进一步采取如下具体裂缝控制技术措施：

3.1 温度控制措施

1）设置散热孔，散热孔直径为315 m，深度为4 000 mm，按1 500 mm间距设置，每段胸墙布置6个，如图3所示；

图3 散热孔和测温点布设平面图Fig.3Layout of cooling hole and temperature measuring point

2）要求水泥入罐静置至少24 h，待温度降低后方可投入使用；

3）混凝土浇筑施工时间调整至夜间，避开白天高温时段；

4）对混凝土内部温度进行实时监测。

在每段胸墙分别布置2组测温导线，每组设置3个测温点，测温点布设深度由上至下依次为0.5 m，2.25 m，4.0 m，布设位置如图3所示。浇筑后3 d内，前24 h每0.5 h观测1次，24 h后每1 h观测1次；浇筑3 d后，每2 h观测1次；浇筑7 d后，每4 h观测1次；混凝土的出机温度和浇筑温度每2 h观测1次。当混凝土表面温度与大气温度接近，大气温度与混凝土中心温度的温差小于25℃时，可以停止测温工作。

3.2 改进混凝土搅拌工艺

改进原有的混凝土搅拌工艺，即先向混凝土搅拌机内依次投放砂、70%的拌合水及其它原材料，充分搅拌后，再投放石子，最后加入剩余的30%拌合水进行搅拌[6]。改进后工艺主要优点是混凝土没有泌水现象，浇筑层强度差小，提高了混凝土的抗拉强度和极限拉伸值。

3.3 对混凝土进行二次振捣

混凝土初凝前进行二次振捣，能排除混凝土因泌水而在粗骨料、水平钢筋下部生成的空隙，提高混凝土与钢筋之间的握裹力，减少混凝土因沉落而出现的塑性裂缝，增加混凝土的密实度，提高混凝土的抗拉强度，从而达到减少混凝土开裂的目的。

3.4 严格控制拆模时间

严格把握合理的拆模时间，避免出现因拆模时现场环境温度过低而出现的冷击裂缝。合理的拆模时间应根据混凝土表面温度和环境温度监测结果来确定。

3.5 加强混凝土养护

混凝土表面铺设1层土工布并洒水充分润湿，然后再覆盖1层塑料薄膜进行保水养护，并在混凝土内部降温速率接近或超过2℃/d时围裹棉被进行保温保湿养护。混凝土保湿养护时间不少于14 d。

4 结语

码头胸墙结构体积大、结构复杂，为确保施工质量，施工前必须进行温度应力验算，根据验算结果来优化施工工艺，并研究制定相应的防裂技术措施。实践结果表明，现浇胸墙未出现有害裂缝，研究思路是可行性的。

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Construction process optimization of pier parapet crack control based on finite element analysis

LI Kang,WANG Bing
（No.5 Engineering Co.,Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Qinhuangdao,Hebei 066000,China）

In order to reduce or avoid the harmful cracks in pier concrete,we used the finite element software to establish the simulation analysis model according to the actual size of the breast wall,and carried out simulation analysis on different layered block construction processes for wharf parapet respectively.On the basis of comparing and analyzing the change of temperature stress,we studied the optimum construction process of parapet.The results show that there is no harmful crack in the parapet to achieve the expected construction quality and efficiency requirements.

parapet;temperature stress;crack control;construction technology

U656.111

A

2095-7874（2017）08-0016-03

10.7640/zggwjs201708004

2017-03-21

2017-05-24

李康（1982—），男，四川南充人，工程师，从事港口、码头施工技术工作。E-mail：wxg58@126.com