陳飛翔，明鑫，張國志，劉可心，舒騰飛

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢 430040；3.中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司，湖北 武漢 430040；4.中交武漢港灣工程設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430040）

0 引言

近幾十年來，在橋梁、市政、房建、隧道等工程中，混凝土結(jié)構(gòu)開裂的現(xiàn)象日漸增多[1]，尤其是大體積混凝土[2]。一方面，為提高水泥的早期強(qiáng)度，促使水泥向高硅酸三鈣C3S、高鋁酸三鈣C3A、高比表面積發(fā)展；另一方面，在施工現(xiàn)場存在水泥出廠溫度越來越高、資源緊缺骨料級配越來越差、工期緊對混凝土早強(qiáng)要求高、膠材用量大等現(xiàn)狀。導(dǎo)致在內(nèi)外約束的狀態(tài)下混凝土因自收縮、干燥收縮、溫度收縮和快速發(fā)展的早期彈性模量而產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，但早期的低徐變無法緩解這種應(yīng)力，因此混凝土非荷載開裂現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，已成為建筑業(yè)的重難點問題[1]。裂縫的產(chǎn)生會嚴(yán)重影響混凝土的力學(xué)性能和長期耐久性，進(jìn)而造成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕、破壞，縮短服役壽命，如何有效控制混凝土的溫度裂縫是土木工程的一個重大技術(shù)難題[3]。

國內(nèi)外研究者常采取優(yōu)化混凝土配合比、降低入模溫度、通冷卻水管、加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)等措施來降低混凝土的開裂風(fēng)險，再通過溫度應(yīng)力仿真計算來確定控裂措施方案是否可行[4-5]，目前MIDAS、LUSAS、ANSYS和ABQUS等作為主要有限元軟件，通過數(shù)值模擬來分析解決此類問題[6-9]。但以往的數(shù)值模擬問題一般只采用1種有限元軟件，無法準(zhǔn)確驗證計算結(jié)果是否正確[10]。因此，在使用MIDAS FEA有限元軟件的基礎(chǔ)上，通過LUSAS有限元軟件進(jìn)一步對某工程混凝土預(yù)制沉管進(jìn)行水化熱溫度應(yīng)力仿真計算，將2種軟件的計算結(jié)果進(jìn)行對比，來說明混凝土預(yù)制沉管的早期開裂風(fēng)險和溫度及溫度應(yīng)力時空發(fā)展規(guī)律，同時給出相應(yīng)控裂措施以指導(dǎo)項目現(xiàn)場實際施工。

1 工程概況

1.1 混凝土預(yù)制沉管結(jié)構(gòu)參數(shù)

混凝土預(yù)制沉管標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長120.5 m、寬31.2 m、高9.2 m，側(cè)墻及頂?shù)装搴穸?.25 m，中隔墻厚度0.6 m，結(jié)構(gòu)斷面見圖1。管節(jié)沿長度方向分5個澆筑段分次澆筑，每個澆筑段為24.1 m，見圖2，采用全斷面澆筑方法，澆筑流程見圖3。

圖1 沉管結(jié)構(gòu)斷面示意

圖2 沉管管節(jié)預(yù)制分段長度示意

圖3 混凝土澆筑流程

1.2 混凝土原材料及配合比

水泥：P·O42.5水泥，物理力學(xué)性能見表1；粉煤灰：F類Ⅰ級，物理性能見表2；礦渣粉：S95級，物理性能見表3；碎石：Ⅱ類，5~20 mm連續(xù)級配，壓碎指標(biāo)＜8%，含泥量＜1%；機(jī)制砂：Ⅱ區(qū)，細(xì)度模數(shù)2.6～2.9，石粉含量＜2.5%，壓碎指標(biāo)＜10%，泥塊含量＜0.5%；聚羧酸高性能減水劑：減水率27%。C50混凝土預(yù)制沉管配合比見表4，水膠比為0.34。

表1 水泥的物理力學(xué)性能

表2 粉煤灰的物理性能

表3 礦渣粉的物理性能

表4 C50混凝土的配合比 kg/m3

2 溫度控裂重難點分析與評價標(biāo)準(zhǔn)

2.1 重難點分析

本工程混凝土預(yù)制沉管的強(qiáng)度等級為C50，強(qiáng)度設(shè)計標(biāo)號高，膠凝材料用量大，水化熱總量高。標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長120.5 m、寬31.2 m、高9.2 m，屬于大斷面、大尺寸薄壁型結(jié)構(gòu)，混凝土受約束大、冷縮大、收縮大[6]。標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)分5段施工，單次澆筑長度24.1 m，最大澆筑方量2600 m3，超大方量混凝土水化熱總熱量高。

2.2 溫度評價指標(biāo)

根據(jù)工程現(xiàn)場實際情況，并參考JTG/T 3650—2020《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》、GB 50496—2018《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定，對日平均氣溫低于5℃冬季施工的混凝土預(yù)制沉管制定的溫控標(biāo)準(zhǔn)見表5。

表5 大體積混凝土溫控標(biāo)準(zhǔn)

2.3 應(yīng)力評價指標(biāo)

大體積混凝土溫控抗裂安全系數(shù)指的是混凝土在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，劈裂抗拉強(qiáng)度試驗值與相對應(yīng)齡期的溫度應(yīng)力計算拉應(yīng)力最大值的比值。溫控抗裂安全系數(shù)越大，代表混凝土開裂風(fēng)險越小。JTS 202-1—2010《水運工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術(shù)規(guī)程》要求溫控抗裂安全系數(shù)≥1.4。

3 仿真計算

3.1 模型建立

混凝土預(yù)制沉管標(biāo)準(zhǔn)關(guān)節(jié)施工工況為每個澆筑段一次性澆筑，由于管節(jié)在澆筑養(yǎng)護(hù)過程中基本不受約束，為自由狀態(tài)，為實現(xiàn)在有限元軟件中的數(shù)值模擬，對底部設(shè)置豎向支撐，底部2個端點設(shè)置鉸支座約束，結(jié)果分析時忽略鉸支座約束的影響，選擇寬度方向1/2建模，2種軟件所建立的模型見圖4。

圖4 沉管管節(jié)有限元剖分模型

3.2 混凝土的熱物理學(xué)參數(shù)與計算邊界條件參數(shù)

C50混凝土的熱物理學(xué)參數(shù)及劈裂抗拉強(qiáng)度試驗值見表6?？紤]到混凝土的徐變會隨齡期而發(fā)生變化，因此取值按CEB-FIB（1990）規(guī)范執(zhí)行。低溫季節(jié)混凝土的澆筑溫度為10℃，環(huán)境溫度為10℃，相對濕度為85%，澆筑間隔期為12 d。

表6 C50混凝土的熱物理學(xué)參數(shù)及劈裂抗拉強(qiáng)度試驗值

4 計算結(jié)果與討論

4.1 溫度場結(jié)果與討論

混凝土預(yù)制沉管的首節(jié)和2~5節(jié)典型溫度場分布如圖5、圖6所示。

圖5 MIDAS FEA模擬混凝土預(yù)制沉管溫度場分布

圖6 LUSAS模擬混凝土預(yù)制沉管溫度場分布

由圖5可以看出，MIDAS FEA計算的溫度結(jié)果為首節(jié)混凝土內(nèi)部最高溫度為39.4℃，時間約為澆筑后的第2.5 d，出現(xiàn)在頂板與中隔板交界的壁厚最大處，內(nèi)表最大溫差為24.8℃。第2~5節(jié)混凝土內(nèi)部最高溫度相同，為39.9℃，時間依然為澆筑后的第2.5 d，同樣出現(xiàn)在頂板與中隔板交界的壁厚最大處，內(nèi)表最大溫差為25.9℃，超出了GB 50496—2018的規(guī)定（≤25℃）。因此，有必要分析內(nèi)表溫差帶來的應(yīng)力變化，判斷混凝土結(jié)構(gòu)是否會因此存在開裂風(fēng)險。

由圖6可以看出，LUSAS計算的溫度結(jié)果為首節(jié)混凝土內(nèi)部最高溫度為38.8℃，時間在澆筑后的第3 d，出現(xiàn)位置與MIDAS FEA相符合，內(nèi)表最大溫差為23.9℃。第2~5節(jié)混凝土內(nèi)部最高溫度均為38.8℃，時間依然為澆筑后的第3 d，出現(xiàn)位置與MIDAS FEA一致，內(nèi)表最大溫差為25℃。

由此可見，MIDAS FEA和LUSAS計算出的最高溫度僅相差1℃左右，內(nèi)表最大溫差也相差1℃左右，匹配度良好，但LUSAS最高溫度出現(xiàn)時間要比MIDAS FEA晚0.5 d。

4.2 應(yīng)力場結(jié)果與討論

混凝土預(yù)制沉管的首節(jié)和第2~5節(jié)典型應(yīng)力場分布如圖7~圖10所示，應(yīng)力計算值及溫控抗裂安全系數(shù)如表7所示。

圖7 MIDAS FEA首節(jié)沉管典型前、中后期的應(yīng)力分布

圖8 LUSAS首節(jié)沉管典型前、中后期的應(yīng)力分布

圖9 MIDAS FEA第2~5節(jié)沉管典型前、中后期的應(yīng)力分布

圖10 LUSAS第2~5節(jié)沉管典型前、中后期的應(yīng)力分布

由圖7、圖8可以看出，在早期升溫階段混凝土內(nèi)部和表面導(dǎo)熱效率出現(xiàn)差異，原因在于混凝土自身具有熱脹冷縮的特性，使得結(jié)構(gòu)溫度變形程度不同，內(nèi)部呈壓應(yīng)力，表面呈拉應(yīng)力，拉應(yīng)力表現(xiàn)在頂板與中隔板交接處的上頂面、側(cè)墻拐角處等。降溫過程以及降溫之后階段，混凝土表面的拉應(yīng)力逐漸向內(nèi)部傳遞，后期拉應(yīng)力集中于混凝土內(nèi)部，隨著齡期延長而逐漸增大。

由圖9、圖10可以看出，對于第2~5節(jié)后續(xù)澆筑段，MIDAS FEA和LUSAS的計算結(jié)果均為早期拉應(yīng)力依然集中于表面，即頂板與中隔板交接處的上頂面、側(cè)墻拐角處等。但降溫過程以及降溫之后階段，后拉應(yīng)力集中于混凝土內(nèi)部和管節(jié)連接施工縫處，這是由前一管節(jié)約束和澆筑管節(jié)混凝土降溫、干縮引起的，隨著齡期延長而逐漸增大。

表7 應(yīng)力計算值及溫控抗裂安全系數(shù)對比

從圖7~圖10以及表7可見，MIDAS FEA和LUSAS計算的應(yīng)力分布趨勢大致相同，因而互為依據(jù)相互印證了計算的正確性，但首節(jié)和第2~5節(jié)MIDAS FEA的3 d應(yīng)力計算值分別比LUSAS的計算值高0.82、0.30 MPa；MIDAS FEA的7 d應(yīng)力計算值分別比LUSAS高0.30、0.09 MPa；MIDAS FEA的28 d應(yīng)力計算值分別比LUSAS低1.22、1.37 MPa。

造成這種差異的原因可能是有限元軟件在應(yīng)力計算的原理不同造成的：MIDAS FEA采用的是混凝土抗壓強(qiáng)度計算方法，主要是按照各個國家的規(guī)范和水泥的類型進(jìn)行計算，并以抗壓強(qiáng)度為基準(zhǔn)計算彈性模量、抗拉強(qiáng)度等，規(guī)范中的力學(xué)性能、收縮、徐變等只是時間的函數(shù)，且在整個混凝土構(gòu)件中分布是恒定的。LUSAS采用的是在熱-濕-力耦合分析中力學(xué)性能、收縮、徐變等參數(shù)的演變是混凝土水化程度的函數(shù)，在整個混凝土構(gòu)件中根據(jù)各點的水化程度不同而不同。因此可以認(rèn)為應(yīng)力計算方法的不同造成了計算結(jié)果略有差異[10]。

同時，從表8也可以看出，混凝土預(yù)制沉管在3 d齡期的溫控抗裂安全系數(shù)小于1.4，頂板與中隔板交接處的上頂面、側(cè)墻拐角處存在一定的表面開裂風(fēng)險。因此在澆筑這些位置時要嚴(yán)格采用分層澆筑，每層澆筑高度為30~50 cm，并加強(qiáng)振搗，保證混凝土振搗均勻密實，以免增大開裂風(fēng)險。

5 結(jié)論

（1）MIDAS FEA和LUSAS計算的最高溫度僅相差1℃左右，內(nèi)表最大溫差也相差1℃左右，分布位置及發(fā)展趨勢相同，結(jié)果匹配性良好，但最高溫度出現(xiàn)時間LUSAS比MIDAS FEA晚0.5 d。

（2）MIDAS FEA和LUSAS的應(yīng)力計算結(jié)果均表現(xiàn)為早期升溫階段內(nèi)部呈壓應(yīng)力，表面呈拉應(yīng)力，降溫及降溫之后階段，混凝土表面的拉應(yīng)力逐漸傳遞到內(nèi)部，后期拉應(yīng)力集中于混凝土內(nèi)部。應(yīng)力分布位置及發(fā)展趨勢大致相同，互為依據(jù)相互印證了計算的正確性，應(yīng)力值略有差異可能是有限元軟件在應(yīng)力計算的原理不同造成的。

（3）混凝土預(yù)制沉管在3 d齡期的溫控抗裂安全系數(shù)小于1.4，頂板與中隔板交接處的上頂面、側(cè)墻拐角處存在一定的表面開裂風(fēng)險，因此在澆筑這些位置時要嚴(yán)格采用分層澆筑，每層澆筑高度為30~50 cm，并加強(qiáng)振搗，保證混凝土振搗均勻密實。