承台大体积混凝土水化热分析

曹准张青华

【摘要】本文采用三维有限元软件MIDAS/CIVIL对承台的水化热过程进行计算分析，掌握水化热变化规律及其应力影响，据此指导现场施工控制。总结了影响大体积混凝土温度应力的几个因素，对施工中相应的措施进行了论述和探讨。

【关键词】大体积混凝土；水化热;有限元MIDAS/CIVIL；温度应力；管冷

【中图分类号】TV91【文献标识码】A【文章编号】1002-8544（2017）12-0194-02

大体积混凝土施工的关键在于混凝土水化热的控制，温度应力是造成大体积混凝土表面开裂的主要原因之一。大体积混凝土的温度应力是由于浇注混凝土后，水泥的水化反应导致的混凝土体积的膨胀或收缩，在受到内部或外部的约束时而产生的。温度应力引起的裂缝具有裂缝宽、上下贯通等特点，因此对结构的承载力、防水性能、耐久性等都会产生很大影响。水化反应初期由于中心部分温度比表面温度高，会导致表面产生拉应力；而温度开始下降时中心部分的收缩会比表面部多，此时中心部会产生拉应力。内部约束应力的大小与内外温差成比例。工程中一般从原材料、施工工艺和散热降温等方面采取相应的技术措施来保证大体积混凝土的实际温差在允许温差范围内，从而有效控制温度应力的变化及温度裂缝的产生。

1.工程概况

本工程位于郑州市陇海路跨南水北调总干渠处，跨越南水北调中线工程总干渠及贾鲁河倒虹吸。南辅道跨度为：94+160+94=348m，北辅道跨度为：90+150+90=330m，采用挂篮悬臂浇筑施工。南北辅道8个主墩承台长16.3m，宽15.1m，高4.5m，采用C30混凝土，单个承台混凝土方量达1108m3，该承台属于大体积混凝土结构，对温控措施要求严格。因此，在施工前需要对承台混凝土进行水化热进行仿真分析，计算出温度及应力的分布。

2.承台的有限元模型建立

采用有限元软件MIDAS/CIVIL模拟辅道承台建立有限元模型，由于模型具有对称性，为了便于分析，取承台1/4模型进行建模和分析。这样不仅可以提高建模速度、缩短分析时间，而且也便于查看内部温度分布以及应力发生状况。如果将地基的支承条件使用弹簧模拟，则无法描述混凝土的热量传递给地基的情况。因此原来桩基础采用等效地基处理，将地基也模拟为具有一定比热和热传导率的结构。地基尺寸长24.3m，宽21.1m，高5m。有限元单元取实体单元，承台最内层X轴方向实体单元尺寸为0.05m×0.5m×0.5m，最内层Y轴方向实体单元尺寸为0.15m×0.5m×0.5m，承台中心处实体单元尺寸为0.05m×0.15m×0.5m，其余单个单元尺寸划分大小为0.5m×0.5m×0.5m，模型共划分为4443个单元，5394个节点。

3.现场施工中应用的温控方法

本工程拟采取以下措施降低水化热峰值：①采用低水化热硅酸盐水泥，直接降低水化热。②设置管冷，冷却混凝土，通过热传递降低水化热。③保温养护，确保混凝土的内外温差不大于25℃，此项是大体积混凝土施工的关键环节。

在承台里面布设冷却水管，根据承台厚度分层布设，冷却水管层距为0.5m;层间冷却管间距为1m，冷却管管径0.03m，流入温度12℃，流量1.2m3/h，管冷共设4层，其中管冷作用于前100h。

辅道承台水泥采用中热硅酸盐水泥，单位体积水泥用量320kg/m3。水泥地基和基础的材料特性如表1。

3.1混凝土施工期温度场及应力场仿真分析

根据以上施工中采取的措施，利用有限元模型对混凝土施工期温度场及应力场进行仿真分析。由分析结果知混凝土的温度峰值出现在浇筑完成后的60h左右，最大温度出现在节点1284处，中心温度达到47.5299℃，温度较浇筑开始时刻升高了27.5299℃，随后温度开始缓慢下降。60h的应力云图，节点1284处的温度随时间变化见图四，应力和容许抗拉强度随时间变化见图五。

由于水化热程度的逐渐加深以及与空气环境的对流形成及加速，逐渐形成较大的温度梯度，同时在混凝土四周边界约束的条件下，在大体积混凝土的内部，逐渐形成很明显的应力场。由图三可以看出，大体积混凝土的温度应力的等值线呈圈形分布，其中深色区域为应力最大的区域，为压应力；图四可看出该节点处的应力值小于同期混凝土的容许应力值，说明此处混凝土不会出现裂缝。

下面分析温度应力引起的拉应力。X方向的最大拉应力云图，可知最大应力出现在单元5758处，由水化热应力输出表格查得该单元最大应力节点为6390处，该节点的应力随时间变化

Y方向的应力云图，可知最大应力出现在单元2014处，由水化热应力输出表格查得该单元最大应力节点为2490处，该节点的应力随时间变化。

Z方向的应力云图，可知最大应力出现在单元1691处，由水化热应力输出表格查得该单元最大应力节点为1706处。

结论：通过以上应力云图及最大应力节点处的应力历程图可知随着混凝土弹性模量和混凝土内外温差的发展，混凝土的最大压应力和最大拉应力都在不断增大，而后随着温度的降低，而呈现下降趋势。较大温度拉应力分布的区域应力云图中深色区域，此区域基本上沿承台四周分布。混凝土拉应力在浇筑完成的3天内有不断增大的趋势，因此在浇筑完成后要特别注意混凝土的内部水管冷却水的循环和外部保温保湿养护。整个养护期间混凝土最大拉应力均小于相应龄期的混凝土抗拉强度，故混凝土不会开裂。

通过以上的分析计算可以看出，本工程的承台施工中选用低水化热水泥和采用管冷后，降低混凝土了的温度峰值，保证最大温度差和最大温度应力都得到了控制，有效地降低了结构的温度应力，防止了混凝土因水化热作用而引起的裂缝。施工中对承台温度进行实测，温度分布情况与模型分析结果基本吻合，冷却管测温结果与设计计算也很好的吻合，冷却水最高水温由12℃上升到23℃，承台施工完毕未出现温度裂缝，说明水化热计算分析及施工控制是有效的，保证了工程质量。

4.结语

大体积混凝土的体积变形，主要来自水泥的水化热温升，混凝土在硬化过程中使自身温度升高，又在环境温度作用下逐渐下降，直至达到稳定。由于混凝土导温系数小，又受边界的影响，相对于初始温度，在大体积混凝土内部各点的温度不同，存在整体降温及非线性温度场，既受外部约束又有内部约束，因而产生温度应力，当上述温度应力超过混凝土的抗拉强度，将会导致裂缝。

为保证大体积混凝土施工不出现裂缝，可采取以下温度控制措施。（1）选用中、低热硅酸盐水泥，优化混凝土配合比设计；掺入适量的粉煤灰；混凝土在满足泵送要求的坍落度的前提下，最大限度控制水灰比；掺高效减水剂，要求混凝土初凝时间在12小时左右，以推迟水泥水化热峰值的出现，降低混凝土表面温度梯度。工程可采用60d强度评定，以减少水泥用量，降低浇注后混凝土的中心温度。（2）控制混凝土的搅拌温度，从而控制好混凝土的浇筑温度。必要情况下可对骨料、沙子、水泥、搅拌水的温度进行控制，在每次混凝土开盘之前，量测水泥、砂、石、水的温度，并做记录，计算其出机温度和浇筑入模温度。（3）结合现场情况，采用分段分层浇筑，充分利用低温季节、夜间施工。（4）施工过程中，遵循“内降外保”的原则，在混凝土浇筑后，连续不间断的通冷却循环水进行内部水管冷却降温，控制进水口水温。冷却水管的长度不宜过长，多设冷却管组单元，多设进水口。（5）浇筑完成后及时进行保温保湿养护。混凝土内部温度达到峰值后，降温阶段最容易出现裂缝，加强表面的保温蓄热养护，减缓气温骤降的冲击，减小表面的降温速度和温度梯度，可以达到降低内外温差的目的。（6）根据应力场的计算分析结果，沿承台边缘区域混凝土表面拉应力较大，为避免该区域拉应力值超过相应龄期的混凝土抗拉强度，可考虑在原来配筋的基础上，在边缘处铺设钢筋网片。

参考文献

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

[2]朱伯芳，王同生.水工混凝土结构的温度应力与温度控制[M].北京：水利电力出版社,1976．