基于Midas Civil桥梁承台大体积混凝土温度应力对裂缝的影响及控制

过海明， 高 鹏

(合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009 )

0 引 言

随着我国经济迅速的发展，大型桥梁日新月异，已经逐渐出现在我们的视野中，虽然我国的设计师在对桥梁的设计和施工有巨大的突破，但是在大体积基础施工过程中仍然存在很多技术上难题，比如大体积混凝土承台的温度控制问题。[1]

各国对大体积并没有形成一个统一的概念，但是都是对混凝土的尺寸、温度和裂缝进行限制性来定义的。大体积结构在施工时，混凝土总用方量大，在施工过程中技术要求高，难度大，并且由于外部环境也会带来很多问题，对模板强度要求比较高，内部集聚大量的热量，极易使结构物或者构筑物产生温度裂缝。因为平面方向尺寸非常大，在水平方向在温度应力作用产生的力也愈大，若对于温度产生裂缝的措施控制不当，当温度应力超过混凝土容许的应力值时，裂缝产生的可能性就大幅度提高。

在施工过程中，裂缝产生有很多原因，但主要是温度和收缩，温度裂缝是由于胶凝材料在水化过程中热，而在内部热量集聚，温升大，基本可以达到70℃以上。升温速率高，降温速率低，当温度应力超过混凝土的容许的应力时，易产生表面裂缝或贯穿裂缝。收缩而产生的裂缝是由于配合比中水和水泥使用量较高，导致混凝土中骨料使用量较低，在胶凝材料以及骨料干硬过程中的收缩产生的应力非常大，当收缩产生的应力超过混凝土容许应力就会产生裂缝。

1 工程概况

本文以的某桥梁大体积承台为研究对象，该承台为矩形，平面的尺寸为20.5m 16m。承台的高度为6m。在本工程中所采用的水泥为低热水泥，混凝土C35等级，水和胶凝材料的比为0.39，砂率为37%,单位体积水泥使用量为230 kg。施工期间当地平均气温为20℃，混凝土容重为2 400 kg/m3，其他混凝土相关参数如表1。

表1 混凝土相关参数

2 Midas Civil 软件进行水化热分析理论

在对混凝土水化热分析时，可使用Midas Civil进行建模分析，依据能量守恒的热平衡方程原理，能够模拟的施工的全过程，包括前期的分层分块浇筑，冷却的水管布置情况，散热规律以及混凝土的收缩和徐变等复杂的影响因素。使用有限元来模拟各个节点的温度随时间的变化，并导出其他相关的物理参数。[2]对于混凝土的水化热分析，常用的分析过程是进行热传导和温度应力分析。 热传导分析是针对胶凝材料水化过程中的放热、传导和对流等随龄期的变化的趋势。[3]温度应力分析是对节点的温度进行等价转化，再对节点部分进行加载，再分析结构随龄期应力变化的趋势。[4]

3 建模与结果分析

3.1 建模

在Midas Civil模型中，依据表1参数将承台模拟成具有一定传热速率的结构。由于该承台结构模型具有高度对称性，所以我们仅对四分之一模型进行建模和分析，降低过程分析所使用的时间，便于观察内部温度、应力的变化情况。[5]这里的冷却水管的间距为1 m，可布置6层。整个模型有10 067个单元，结点总数为11 594个。建立的有限元分析模型和冷却水管的布置如图1、图2所示。

图1 1/4承台有限元模型

图2 1/4承台冷却水管平面布置

3.2 结果分析

3.2.1 温度情况分析

通过对模型分析计算可得，可清晰看出浇筑120 h时，最大温度的时候温度场的分布情况，如图3所示。

图3 1/4承台浇筑120d温度场分布

可取最高温度处，在混凝土浇筑的第5 d左右出现，最高温度为51.2 ℃，符合规范条件。承台的表内温度差情况如图4所示，分析可知，承台表内温差最大值约20 ℃，满足规范不大于25 ℃的要求。

图4 承台表内温差变化曲线

3.2.2 应力情况分析

由导出的应力变化图可得，许用应力一直处于实际温度应力曲线上方，则许用应力大于温度应力，符合规范的条件，不会有裂缝产生。具体变化曲线图如图5所示。

图5 承台表面最大应力变化曲线

4 裂缝控制方案及措施控制

4.1 从材料角度控制裂缝

从材料角度进行控制，具体提出以下几点：

(1)可以合理使用减水剂，考虑高效减水剂的使用，目前在市场上种类繁多，但是基本性能都差异不大，均可增强混凝土和易性，减少水的使用量，利于其泵送和浇筑。也可以减少水泥使用量，节约水泥，达到经济性要求。同时高效减水剂对水泥、粉煤灰、石子等混凝土原材料适应性好，不会对混凝土的后期的工作性能有影响。并且混凝土后期抗压强度增加效果显著。在工程及其试验过程中也可以对混凝土进行复配，反复调整减水剂和其他外加剂的比例，得到该工程的最佳减水剂使用量，同时也有良好的维持坍落度效果和抗冻效果等。[6]从而在保证混凝土性能基础上，达到经济型效果。

(2)可以适当使用膨胀剂，膨胀剂具有补偿混凝土收缩的作用。[7]由于矿物掺合料的掺入限制混凝土的膨胀，而膨胀剂的加入刚好补偿刚好的收缩部分，从而降低了混凝土收缩可能性，降低混凝土产生裂缝产生的概率。在我国混凝土工程中，常用的膨胀剂有氧化钙、氧化镁类和金属类等。在实际工程中均得到广泛的使用，但是由于考虑到成本，要严格控制好外加剂用量，这样才能达到最佳的经济效益，才能符合实际工程的要求。

4.2 从施工角度控制裂缝

从施工角度进行控制，具体提出以下几点：

(1)严格控制混凝土生产所用各种材料的温度，特别是胶凝材料，提前5-7天预留专用仓水泥、粉煤灰以及矿粉，降低胶凝材料在入机温度；严把粉煤灰的质量关，确保粉煤灰的各项指标合格。

(2)不定期地对砂石原材料供应点进行考察，确保进场原材料货源稳定，对进场的骨料的质量严格把关，对骨料的相关参数做到每批次检测，不合格骨料一律退货。

(3)若在高温期间进行大体积混凝土施工，为了避免因骨料温度过高，需要定时的对砂石骨料进行喷淋洒水以降低骨料温度，进而避免混凝土入模温度偏高的现象。

(4)对混凝土出厂坍落度进行严格控制，监控混凝土的坍落度损失。对混凝土到达现场的坍落度进行检测并严格控制，保持在合理的范围内，使混凝土易性良好，不发生分层或离析现象。对个别车辆混凝土坍落度较小，可由技术人员现场加入外加剂进行调节，严格禁止非技术人员加水调整坍落度。

(5)大体积混凝土要进行连续作业，对连续供应的混凝土要求高。为了保证混凝土的施工要求，在项目浇筑混凝土期间，将实行外调以及试验人员24h现场值班制，以便于能够做到随时监控现场情况，确保现场不断料，不积压过多车辆，保证混凝土在施工过程中能够连续浇筑的同时也不至于由于混凝土等待时间过长导致混凝土出现坍损过大无法施工的现象出现。

5 结 论

(1)Midas Civil可以模拟桥梁承台建筑期间的温升，可以为实际工程提供方案和参考。同时我们也可以调节不同的冷却水管的铺设厚度，然后继续分析同一高度承台的表内温差。在实际工程中这样对裂缝控制的颇有意义。

(2)在大体积混凝土施工过程中，尤为重视裂缝问题。可先进行配合比设计，再进行试配和优化，得到最佳配合比。对原材料的性质严格把关，水泥选择低热水泥，减少使用量，粗骨料选用连续级配，细骨料选择恰当的细度模数，并合理的使用外加剂。在浇筑过程中，施工管理人员也要对入模前的混凝土进行检测，对不合格的混凝土予以相应处理。可为以后同类型工程提供理论指导。