李浩弘 王晉偉(蘭州理工大學(xué) 甘肅省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050)

1 引 言

隨著西部大開(kāi)發(fā)的進(jìn)一步深入，西部山區(qū)高速鐵路、橋梁的建設(shè)發(fā)展，大錨碇橋梁結(jié)構(gòu)在橋梁建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。為了滿足大跨度橋梁結(jié)構(gòu)承載力、剛度、穩(wěn)定性等方面的要求，其錨碇構(gòu)件往往具有較大的尺寸。據(jù)已有的實(shí)測(cè)資料表明，體積相對(duì)較大的錨碇，水泥在水化熱過(guò)程中內(nèi)部溫度可高70℃以上。水泥的水化作用可引起混凝土內(nèi)部溫度迅速上升，但是混凝土的導(dǎo)熱性較差，導(dǎo)致熱量積聚在內(nèi)部不易散失，使得大體積混凝土內(nèi)外溫差較大，從而導(dǎo)致大體積混凝土產(chǎn)生大面積溫度裂縫[2]，影響結(jié)構(gòu)的正常使用。隨著大體積混凝土在大跨橋梁中的廣泛應(yīng)用，混凝土的水化熱問(wèn)題已成為當(dāng)今建筑業(yè)不可避免的問(wèn)題。

本文通過(guò)甘肅某特大橋工程進(jìn)行大體積混凝土溫度試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，從有效控制內(nèi)部溫度出發(fā)，明確了大體積混凝土測(cè)溫點(diǎn)設(shè)置的基本原則，并對(duì)大體積混凝土施工過(guò)程溫度控制進(jìn)行了研究，解決了大體積混凝土由于溫度原因產(chǎn)生的大面積溫度裂縫問(wèn)題。

2 模型建立

2.1 工程概況

甘肅某黃河特大橋?qū)儆诟拭C省重點(diǎn)工程，本工程為1536m單跨型鋼桁加勁梁式懸索橋，引道工程包括大橋264米/2座(5-25m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁)，小橋38.04米/1座(2-13m鋼筋混凝土簡(jiǎn)支空心板)，以及部分路基填挖方工程和西錨碇附近的觀景臺(tái)土方開(kāi)挖施工工程。

大橋東、西錨碇采用重力錨，錨體分錨塊、散索鞍墩及基礎(chǔ)、前錨室、后錨室四部分。其中錨塊主要受預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)傳遞的主纜索股拉力，散索鞍支墩主要承受由散索鞍傳遞的主纜壓力，前錨室、散索鞍墩及錨塊形成一個(gè)三角框架式空間受力構(gòu)件。錨塊體采用C40混凝土，其他均為普通C30混凝土。

2.2 計(jì)算模型

利用MIDAS/CIVIL對(duì)某黃河特大橋錨碇大體積混凝土在自然冷卻下分層澆筑的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行有限元仿真模擬。由于錨碇混凝土屬于對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，本次模擬取A、B區(qū)1/2混凝土進(jìn)行分析，同時(shí)考慮混凝土徐變收縮對(duì)混凝土應(yīng)力的影響。根據(jù)本工程的澆筑方案，分層澆筑間歇時(shí)間為7天。具體節(jié)點(diǎn)單元總數(shù)見(jiàn)表2，單元網(wǎng)格模型如圖1所示。

圖1 混凝土有限元網(wǎng)格模型

2.3 計(jì)算分析

由圖2仿真模擬結(jié)果表明，錨碇混凝土分層最高溫度為等值線分布，同時(shí)溫度的最大值一般出現(xiàn)在每層的中心位置。

表1 使用材料以及熱學(xué)特性值

表2 節(jié)點(diǎn)單元數(shù)

圖2 混凝土分層最高溫度等直線圖

3 溫度、應(yīng)力分析研究

混凝土防裂的關(guān)鍵是控制最大主拉應(yīng)力。對(duì)于溫度應(yīng)力而言，最大主拉應(yīng)力一般出現(xiàn)在上下層接觸處，故取每層上表面中心點(diǎn)處的的溫度和應(yīng)力進(jìn)行分析。由于大橋錨碇A區(qū)、B區(qū)存在差異，本次模擬對(duì)A區(qū)、B區(qū)進(jìn)行分別研究。由于A區(qū)斜坡第一層澆筑量小、溫度不高，故不考慮混凝土開(kāi)裂的可能性，所以對(duì)斜坡第一層不進(jìn)行溫度應(yīng)力分析；由圖3(b)可知，B區(qū)錨碇的基礎(chǔ)部分溫度比錨塊部分溫度高，所以取基礎(chǔ)部分進(jìn)行溫度應(yīng)力分析。溫度應(yīng)力分析見(jiàn)圖3。

(a) A區(qū)每層內(nèi)部中心點(diǎn)溫度歷時(shí)曲線

(b) B區(qū)每層內(nèi)部中心點(diǎn)溫度歷時(shí)曲線

(c) A區(qū)每層上表面中心點(diǎn)溫度歷時(shí)曲線

圖3 每層中心點(diǎn)溫度歷時(shí)曲線

3.1 溫度結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)圖3分析可知，每層混凝土澆筑完后40h左右內(nèi)部中心點(diǎn)溫度達(dá)到最大值，隨后隨混凝土表面熱量的散發(fā)，混凝土溫度慢慢下降。在對(duì)新一層混凝土澆筑后，由于新澆筑混凝土的水化作用，下部混凝土溫度有回升現(xiàn)象，其中每層內(nèi)部中心點(diǎn)的溫度回升在3 ～5℃左右，影響不大。但對(duì)每層混凝土接觸表面中心點(diǎn)的溫度影響較大，使其回升在31℃左右。由表3可知，錨碇A區(qū)內(nèi)部中心溫度最高值為67.16℃，B區(qū)為68.01℃，當(dāng)內(nèi)部中心溫度達(dá)到最大值時(shí)，內(nèi)外溫差超過(guò)了25℃，超過(guò)了《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》中大體積混凝土內(nèi)表溫差不超過(guò)25℃的規(guī)定[3]。

3.2 應(yīng)力結(jié)果分析

(a) A區(qū)每層內(nèi)部中心點(diǎn)應(yīng)力和容許

(b) B區(qū)每層內(nèi)部中心點(diǎn)應(yīng)力和容許抗拉強(qiáng)度歷時(shí)曲線

(c) A區(qū)每層上表面中心點(diǎn)應(yīng)力和容許抗拉強(qiáng)度歷時(shí)曲線

表3 錨塊內(nèi)部中心和表面中心最高溫度值

圖4 中心點(diǎn)應(yīng)力和容許抗拉強(qiáng)度歷時(shí)曲線

由圖4分析可知，應(yīng)力會(huì)隨著溫度的變化而變化，最后隨著時(shí)間的增加而趨于穩(wěn)定。對(duì)于大部分混凝土澆筑層，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí)，超過(guò)了該層的容許抗拉強(qiáng)度，所以混凝土開(kāi)裂的可能性非常大[4]。

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)MIDAS/CIVI模擬的結(jié)果得出在自然冷卻下分層澆筑的施工過(guò)程中，最高溫度出現(xiàn)的時(shí)間、位置、最高溫度值及最大應(yīng)力和相應(yīng)的容許抗拉強(qiáng)度值。通過(guò)分析研究可知本工程采用間隔7天分層澆筑和自然冷卻的方法無(wú)法滿足大體積混凝土施工的抗裂要求，影響大體積混凝土的完整性及耐久性。所以在該工程實(shí)際的施工過(guò)程中應(yīng)采用分層澆筑和水管冷卻的方法控制大體積混凝土內(nèi)部的溫度。并根據(jù)模擬結(jié)果可知冷卻水管布置位置及間距，為本次特大橋錨碇大體積混凝土的施工提供了理論指導(dǎo)。

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