悬索桥隧道式锚定结构大体积混凝土施工温度应力分析

田卜元， 谢朋林， 徐 皓， 张 倩， 高瑞琪

（中国建筑第六工程局有限公司，天津300451）

目前，大体积混凝土施工常见于基础设施工程建设中，如大型桥梁墩台、大型建筑物基础以及水利大坝等[1]。近年来，工程建设规模越来越大，施工进度越来越快，大体积混凝土施工中出现的裂缝问题也日益增多[2]。随着计算机技术的发展，对大体积混凝土施工进行数值模拟已经成为一种重要手段。周世康等[3]对隧道锚塞体大体积混凝土温度场作了监测与数值分析；王连彬等[4]对悬索桥隧道锚碇大体积混凝土水化热进行了分析和研究；詹元林等[5]通过Midas/FEA对大体积混凝土水化热进行了仿真计算；赵超等[6]使用Midas/FEA 进行数值模拟并分析了某大桥主墩承台水化热影响因素。

上述研究都是将锚碇结构单独建模进行分析，而没有将周边岩体与锚体进行耦合分析。本文以实际工程为例，借助MIDAS FEA 有限元计算软件，建立岩体与锚体耦合模型并进行数值分析。

1 工程概况

越龙悬崖玻璃桥包含重力式、隧道式、抗风式3类锚碇结构，东西两侧交叉布置；其中隧道锚轴线总长度为58.675 m，与地面最大垂直深度为32 m，最大倾角达29.4°，呈喇叭形，开挖量5 400 m3，浇筑混凝土达3 100 m3，属于大体积混凝土。

2 大体积混凝土温度应力分析

2.1 建立模型

采用Midas FEA 建立整体结构模型。为了更真实地模拟隧道锚混凝土的传热，模型分为两部分：岩体和锚固体。两部分需耦合节点，使热可以从锚固体传到岩体。

2.1.1 岩体建模

建立隧道锚的岩体模型，混凝土水化热作用产生的热量将通过接触面导向岩体，见图1。

图1 岩体网格划分

2.1.2 锚体建模

建立隧道锚模型，借助Midas FEA 强大的实体建模功能，可以实现对不规则实体模型的建模。应当注意的是，隧道锚混凝土外表面应当与岩体内表面共面；否则在之后的自动网格划分中将无法实现两个实体的共同作用，混凝土水化热的热量将不能传递给周边岩体，导致模型不能反映实际工程情况。锚固体网络划分见图2。

图2 锚固体网格划分

2.2 参数输入

2.2.1 参数

程序计算中所需用到的参数见表1。

表1 计算参数

2.2.2 边界条件

共设3种边界条件，分别为对流边界、约束条件、固定温度。

1）对流边界。分别在4 个施工阶段的表面施加对流边界条件，调用已定义的对流函数，见图3。

图3 对流边界

2）约束条件。对岩体四周设置固定约束，见图4。

图4 约束条件

3）固定温度。岩体外表面设固定温度20 ℃。

2.3 荷载

在每个施工阶段，每1 m布置一层冷凝管，冷凝管距表面的距离取0.5 m，见图5。

图5 冷凝管设置

2.4 热源

在水化热分析中，热源为所有混凝土，在模型中，选取所有节点并调用已定义好的热源函数，见图6。

图6 热源设置

3 模拟结果

3.1 规范要求

3.1.1 温度要求

混凝土浇筑体在入模温度基础上的温升值≯50℃，里表温差(不含混凝土收缩的当量温度)≯25℃；降温速率≯2.0/（d·℃）。混凝土浇筑体表面与大气温差≯20 ℃。

3.1.2 应力要求

最大拉应力应小于轴心抗拉强度设计值。

3.2 结果分析

3.2.1 温度分析

浇筑混凝土时，由于胶凝材料的水化作用，使混凝土温度升高，各个施工阶段中最大温度为39.85 ℃，见图7。混凝土浇筑温度为20 ℃，温度最大升高了19.85 ℃＜50 ℃，满足规范要求。

图7 各施工阶段最高温度

分别在第三和第四个施工阶段混凝土内部和外部各取一个点，读取温度变化，见图8和图9。

图8 取点

图9 两点的温度变化

由图9 可知，最大表里温差分别为7.4℃和18℃，均＜20 ℃，满足规范的要求。

在模型中分别选取8个点，其分布在各个施工阶段，读取其温度变化，见图10和图11。

图10 各施工阶段取点布置

图11 各点处温度变化

由图11 可知，平均每天温降最大为1.5 ℃＜2.0 ℃，满足规范要求。

在各施工面取一点，读取各点的温度变化，见图12。

图12 各点处温度变化

由图12可知，表面温度最高温度为23.8 ℃。大气温度为20 ℃，该点处与大气温度的温差为3.8 ℃＜20 ℃，满足规范要求。

3.2.2 应力分析

本工程所用混凝土强度等级为C30，其轴心抗拉强度设计值为1.43 MPa。各个施工阶段最大拉应力见图13。

图13 各施工阶段应力分布

由图13 可知，在各施工阶段中，有97.6%的点的最大应力＜1.38 MPa，满足规范要求。

4 结论

通过运用Midas FEA，建立大体积混凝土实体模型。经计算，混凝土温度与应力指标均能满足规范要求。冷凝管应严格按照计算模型进行布置，即每1 m厚度布置一层冷凝管并且冷管直径为40 mm，上下偏差不得超过2 mm，流速≮50 cm/s。施工过程中应严格监控混凝土内部及表面的温度变化并做好覆盖保护措施。如果发现实测温度变化曲线与模型仿真曲线有较大差异，应立即停止施工，分析原因，找到解决方法后，按照相关规定，再次组织施工。

本论文重点关注对大体积混凝土的数值仿真分析，没有对实测数据进行研究。未来将对施工测量数据进行深入研究，把实测数据与数值分析结果进行对比分析。□■