程昌勤，周少成，楊毅

（江西省交投集團(tuán)撫州管理中心，江西 撫州 344000）

0 引言

混凝土是一種不導(dǎo)溫的材料，在澆筑時(shí)因水化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量不易散發(fā)而在內(nèi)部形成溫度應(yīng)力，該應(yīng)力的存在容易使混凝土產(chǎn)生裂縫，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的安全。近年來，隨著交通建筑業(yè)的快速發(fā)展，橋梁工程中的大型橋梁在不斷增多，伴隨著大體積混凝土的澆筑施工帶來的水化熱問題也引起了人們的關(guān)注，大體積混凝土因澆筑混凝土的量更多，體型更大，出現(xiàn)裂縫的概率更大。為此，本文結(jié)合橋梁工程中大體積混凝土的溫度變化問題，根據(jù)實(shí)際的橋梁工程結(jié)合ANSYS有限元軟件開展研究。

1 工程概況

本工程為一座跨海大橋，其墩承臺(tái)中存在大體積混凝土的溫度裂縫問題，大橋的墩承臺(tái)平面尺寸為59.08m×27.78m，形狀為長(zhǎng)六邊形，承臺(tái)的厚度為6m。采用C40強(qiáng)度等級(jí)的防腐抗凍高性能混凝土進(jìn)行墩承臺(tái)澆筑，總的承臺(tái)澆筑混凝土用量為8511.6m3，本次澆筑正處于冬季，日平均氣溫較低，為保證混凝土質(zhì)量，分為兩次進(jìn)行澆筑，每次澆筑的高度為3m，關(guān)于C40混凝土的配合比及原料情況如表1所示。

表1 C40混凝土配合比及原料情況表

2 有限元分析

利用ANSYS有限元軟件建立與實(shí)際情況相似的三維模型，對(duì)墩承臺(tái)的溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值分析。采用ANSYS有限元軟件的原因是其建模簡(jiǎn)單、計(jì)算功能較為強(qiáng)大。

2.1 模擬的建立

模擬時(shí)對(duì)有限元軟件中的模型進(jìn)行假定，具體的假定如下所示：

（1）假定模型中的混凝土為均勻質(zhì)體，即假定所設(shè)的材料為各項(xiàng)同性質(zhì)材料。

（2）假定在同一層澆筑的混凝土的彈性模型及初始溫度相同。

（3）假定在設(shè)置邊界條件時(shí)不考慮其對(duì)模型的影響，即假定同一個(gè)約束面的約束一致。

（4）假定混凝土內(nèi)部的鋼筋不起影響作用。

本次建模時(shí)設(shè)置熱學(xué)參數(shù)、澆筑溫度、對(duì)流邊界條件及環(huán)境溫度等因素。結(jié)構(gòu)采用六面體八節(jié)點(diǎn)的單元，進(jìn)行熱分析時(shí)采用SOLID70單元進(jìn)行分析。對(duì)模型的溫度邊界條件進(jìn)行設(shè)置，對(duì)模型的墊層底面將結(jié)點(diǎn)的溫度設(shè)置為恒等于土壤的溫度（5℃），將澆筑面積承臺(tái)的側(cè)面設(shè)置為15℃（表面的放熱系數(shù)為23.9），將承臺(tái)側(cè)初始澆筑時(shí)的溫度設(shè)置為10℃。

2.2 施工順序模擬

對(duì)實(shí)際工程的施工順序進(jìn)行模擬，首先進(jìn)行第一層混凝土的澆筑，即0～3m混凝土的澆筑模擬，主要通過控制ANSYS軟件中對(duì)單元生與死的宏命令來實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)參數(shù)邊界條件及初始條件的變化。因?yàn)樵谀M中已對(duì)澆筑層進(jìn)行劃分，所以只需激活相應(yīng)層的單元即可表示一層混凝土的澆筑完成；然后進(jìn)行間歇，間歇時(shí)間為16d，接著再進(jìn)行第二層混凝土澆筑的模擬，即3～6m層混凝土，具體的模擬過程同前；最后再進(jìn)行間歇來模擬混凝土的養(yǎng)護(hù)。在整個(gè)溫度場(chǎng)的計(jì)算中，水泥的水化熱作為主要的溫度荷載施加在已被激活的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上來完成模擬計(jì)算。

2.3 模擬的結(jié)果分析

（1）墩承臺(tái)溫度場(chǎng)的分析

對(duì)兩次澆筑的中心及表面點(diǎn)取點(diǎn)進(jìn)行溫度場(chǎng)分析并繪制曲線，具體結(jié)果如圖1所示。

由圖1（a）可知，最初不論是表面上的點(diǎn)還是中心位置的點(diǎn)，其溫度都在澆筑開始之后迅速增大，并且都達(dá)到最大值。其中，中心點(diǎn)約在第5d出現(xiàn)溫度最大值，約為39℃，表面點(diǎn)約出現(xiàn)在第3d，溫度最大值約為26℃。后面隨著澆筑的完成溫度慢慢下降。對(duì)比兩條曲線也可以發(fā)現(xiàn)在中心點(diǎn)位置的溫度較高，而側(cè)面及澆筑面的溫度較低，出現(xiàn)這樣的情況主要是因?yàn)榛炷潦遣粚?dǎo)熱的材料，在中心處散熱較慢，而表面及側(cè)面有空氣流動(dòng)進(jìn)行熱流交換，可以帶走混凝土的表面溫度，因此，其溫度降低較快，溫度較低。

圖1 溫度場(chǎng)分析繪制曲線

圖1（b）為兩層混凝土都澆筑完后混凝土中的某些點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線圖，由圖1（b）可知，承臺(tái)頂面中心點(diǎn)A的溫度變化較快，主要由于該點(diǎn)位于承臺(tái)頂面，空氣對(duì)流較快，可以很快地帶走表面的溫度，因此出現(xiàn)曲線變化快的特點(diǎn)。承臺(tái)的中心點(diǎn)B及第二層混凝土中心D均出現(xiàn)兩個(gè)峰值。第一個(gè)溫度最大值約出現(xiàn)在第一層澆筑后第5d，溫度值約為27℃，隨后由于空氣對(duì)流帶走熱量，溫度開始下降。第二次的溫度最大值出現(xiàn)在第二層混凝土澆筑完成后的第3d，其溫度值約為38℃及47℃，隨后各點(diǎn)的溫度均開始下降，B曲線第二次峰值的出現(xiàn)主要是由于第二層混凝土的澆筑，阻斷了其中心混凝土熱量的散發(fā)；C曲線為第一層混凝土的中心，只出現(xiàn)一次溫度最大值，說明第二次混凝土的澆筑對(duì)第一層的混凝土溫度影響較小。

（2）墩承臺(tái)溫度應(yīng)力分析

對(duì)兩次澆筑取點(diǎn)進(jìn)行溫度應(yīng)力分析，具體的結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 第一層澆筑應(yīng)力變化曲線圖

圖3 第二層澆筑應(yīng)力變化曲線圖

圖2表示第一層混凝土澆筑后在X向及Z向的混凝土最大拉應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線圖，由圖（2）可知，隨著模型中混凝土內(nèi)外溫差的變化，其最大拉應(yīng)力出現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，最大的拉應(yīng)力約出現(xiàn)在第10d，其值約為1.86MPa，并且發(fā)現(xiàn)整個(gè)過程中最大拉應(yīng)力均小于混凝土的抗拉強(qiáng)度，說明在此時(shí)混凝土并未發(fā)生開裂。

圖3表示第二層混凝土澆筑后在Y方向的混凝土最大拉應(yīng)力變化曲線圖，由圖（2）可知，待第二層混凝土澆筑后其最大拉應(yīng)力在不斷增大，并且在第22d之后，其最大拉應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度，說明此時(shí)的混凝土表面出現(xiàn)了裂縫。

3 結(jié)語

為研究橋梁工程中大體積混凝土的溫度變化問題，根據(jù)橋梁工程中墩承臺(tái)混凝土澆筑的溫度變化問題結(jié)合ANSYS有限元軟件開展研究。通過研究發(fā)現(xiàn)，混凝土中溫度場(chǎng)大的部位主要位于中心部位，在混凝土側(cè)面及表面溫度會(huì)因與空氣對(duì)流將熱量帶走，中心部位的熱量無處散發(fā)，因此，在施工時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)措施降低混凝土中心部位的溫度；并且發(fā)現(xiàn)第二次澆筑的混凝土對(duì)第一次澆筑的混凝土溫度場(chǎng)影響不大。因此，在進(jìn)行混凝土澆筑時(shí)應(yīng)盡可能地采用分層澆筑。從溫度應(yīng)力分析上來看，混凝土澆筑時(shí)應(yīng)控制好混凝土的入模溫度。