林緒綿

(湖北工業(yè)大學土木建筑與環(huán)境學院,武漢 430068)

眾多橋梁施工中會出現(xiàn)大方量的混凝土澆筑情況，而大體積混凝土澆筑時，會釋放大量水化熱[1]，在混凝土的內(nèi)部積聚相當大的熱量，導致混凝土內(nèi)部溫度在短時間里快速攀升，這將導致混凝土出現(xiàn)較大的溫度梯度。此時再加上外部的約束以及周圍混凝土的作用，身處受拉區(qū)的混凝土容易因受到較大的拉應力而最終開裂破壞。

Wilson E L教授在溫度場計算中引入了時程分析的方法，開發(fā)出了一款二維有限元仿真程序DOT-DICE，實現(xiàn)了分期施工溫度場的模擬，并用該程序計算了Dworshak壩的溫度場[2]。朱伯芳院士、潘家錚院士等人即對大體積混凝土的溫度場進行了系統(tǒng)研究，完成了有關溫度控制和設計的整套理論[3,4]。唐際宇等[5]運用ANSYS對大體積混凝土也進行了研究，并給出了相應的混凝土水化熱控制措施。胡興等[6]也對大體積混凝土早期裂縫產(chǎn)生做出了分析研究，但沒有進行有限元模擬。

該文將基于MIDAS/Civil有限元分析軟件，對蓮花大道景觀橋的中橫梁大體積混凝土施工進行溫度場的計算，并將之與實測數(shù)據(jù)進行對比，得出該有限元數(shù)值模擬在混凝土溫度監(jiān)控中的合理性。

1 有限元分析

1)工程概況

蓮花大道跨二級渠景觀橋主梁橫梁采用C50 混凝土，中橫梁(截面如圖1)規(guī)格尺寸為12.8 m2×40.5 m，單體體積518.4 m3。施工過程采用一次性澆筑。

其混凝土配合比參數(shù)見表1。

表1 C50混凝土配合比 kg/m3

2)有限元仿真過程

建立中橫梁來模擬混凝土的熱量的傳遞。計算采用實體單元模型，劃分網(wǎng)格時，應對中橫梁表面與相應冷管布置位置進行加密，具體劃分情況見圖2，共劃分成24 721個節(jié)點，19 600個單元。

該模型中定義水化熱分析控制數(shù)據(jù)中的積分系數(shù)(時間離散系數(shù))為0.5，初始溫度即整個結(jié)構發(fā)生水化熱反應之前的溫度設定為30 ℃，定義迭代次數(shù)為20，收斂誤差0.01。

由于橫梁的施工時間為夏季，根據(jù)湘潭市歷時均溫，定義環(huán)境日平均溫度為32 ℃，并假定環(huán)境溫度呈正弦曲線變化，變化幅度為4.0 ℃，環(huán)境溫度函數(shù)變化情況見圖3。

橫梁厚度達到了3 m，內(nèi)部熱量難以散失，必須在混凝土內(nèi)部設置冷卻水管，建模時根據(jù)實際情況定義冷管的位置、水管直徑、水流量和水溫等，相關數(shù)據(jù)見表2，對流系數(shù)近似由計算公式Hp=4.75v+43.0 (kcal/m2·h·℃)得出。冷管模型見圖4。

表2 水冷管參數(shù)表

3)有限元計算結(jié)果

由于橫梁施工為一次澆筑，建模當作一個施工階段進行模擬，激活對應的邊界條件和冷管等條件，模型取前10 d的數(shù)據(jù)進行分析，前5 d每5 h生成一步驟，后5 d每10 h生成一步驟。計算結(jié)果見圖5。

由以上計算結(jié)果得出，橫梁大體積混凝土澆筑完成初期溫度升高速率穩(wěn)步，5 d之后達到近64 ℃，在5 d的時候便達到了峰值溫度。橫梁表面溫度較低，散熱速度快，混凝土內(nèi)部熱量難以釋放，必須依靠冷卻水管作用將熱量帶出，可看出冷管周圍的混凝土溫度較低。由于模型中定義冷管水流一直不變，使得計算結(jié)果中混凝土的降溫速率正常，在規(guī)范規(guī)定的2 ℃/d以內(nèi)。由溫度場分布情況還可發(fā)現(xiàn)，橫梁下部靠近C30 混凝土承臺部分熱量較難釋放，隨著澆筑時間的增加,混凝土高溫部位逐漸往下部移動,控制固體接觸面溫度變化情況也是大體積混凝土溫度控制的關鍵。

2 實測結(jié)果對比分析

現(xiàn)場溫度監(jiān)測系統(tǒng)測點布置見圖6。圖中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ為端橫梁傳感器安裝位置，Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ為中橫梁安裝位置。只取中橫梁位置溫度監(jiān)控數(shù)據(jù)，實測結(jié)果見圖7。

通過景觀橋澆筑混凝土水化熱的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以得出：現(xiàn)澆混凝土的水化熱溫度前期較高，最高監(jiān)測溫度為74.9 ℃，澆筑66 h以后，溫度開始明顯下降，且前期下降較快，后期下降減緩，最后溫度降至與大氣溫度相近，符合混凝土水化熱變化規(guī)律。

將有限元模擬計算的溫度值與實際檢測溫度結(jié)果對比，取溫度最高值，統(tǒng)計結(jié)果見表3。由表3可見，實測結(jié)果中，溫度峰值比理論計算早了約60 h，即溫升階段，溫度升高過快，則說明冷卻水管此時的運作效率低于理論計算。理論計算結(jié)果與實測結(jié)果溫度變化趨勢相同，實測溫度最高值比理論計算高了10.4 ℃，此時需要注意，防止混凝土表面出現(xiàn)裂縫。

表3 數(shù)值理論計算與實際結(jié)果對比

3 結(jié) 論

a.有限元計算結(jié)果與實測結(jié)果接近，因此有限元數(shù)值模擬適用于大體積混凝土溫控計算。

b.大體積混凝土施工中，其溫度高峰出現(xiàn)一般是在70 h左右，若理論計算結(jié)果慢于實際計算結(jié)果，則說明冷卻水管作用不明顯，需要進行及時的降溫措施，以防因為混凝土內(nèi)外溫差過大產(chǎn)生裂縫。