论文部分内容阅读
摘 要：针对某铁路斜拉桥索塔承台大体积混凝土施工期间温度控制比较困难，采用非线性有限元软件分析了承台在不同的施工方法下承台的温度和应力，得到分层浇筑并进行管冷降温可以有效降低混凝土的水化热对于结构的影响。并针对多次浇筑成型的承台中养护温度对承台温度和应力的敏感性进行了分析研究，养护温度25℃比较适宜。最后采用不同的混凝土绝热升温函数针对该桥承台温度对比了理论值和实测值，得到复合指数式温升函数计算的理论温度与实测值相近，但承台达到最高温度的龄期相对于实测值提前。
关键词：非线性有限元；大体积混凝土；温度控制；施工方法；管冷效果
Abstract：It was difficult to the temperature control of a railway cable-stayed bridge pile caps ，because of the mass concrete hydration.It was effective by using finite element software ，which analysed the temperature and the first principal stress with the different construction methods .The mass concrete with layered casting and cooling water pipe can reduce the effective of the hydration heat. Then with the same modle，the curing temperature which was 25℃ was relatively well for the temperature and the first principal stress.At last，througe the comparison and analysis for the measured value and the theoretical value， the composite index function for the adiabatic heating was real. But， the time of the mass concrete reached the highest temperature was cut short.
Key words：nonliner finite element；mass concrete；temperature control；construction method；effect of cooling water pipe
隨着工程建设的发展，大体积混凝土在公路水运和工民建筑里面越来越多的出现，但是大体积混凝土水化热放热过程中，大量的水化热导致混凝土内部快速升温，而混凝土是温度的不良导体[ 1 ]，大体积混凝土的内外温差受到混凝土的内外约束造成混凝土产生裂缝（包括表面裂缝、深层裂缝和贯穿裂缝）。混凝土的开裂不仅造成混凝土的劣化，造成结构的安全隐患，因此对大体积混凝土的温度的发展有研究的必要性。
1 工程概况
某铁路斜拉桥为双塔双索面斜拉桥（60m+120m+324m+120m
+60m），索塔承台采用大体积混凝土，承台尺寸为23.9m×30.5m，厚度6.0m，承台采用C30混凝土，每方混凝土材料含量：水泥247kg，水159kg，细骨料754kg，粗骨料1065kg。
2 不同施工方法的计算对比分析
2.1 温度影响
由于承台具有对称性，计算模型采用四分之一模型，参考相关文献资料[ 2 ]，考虑承台与地基之间的热传递作用，地基相对于承台每侧宽5m，计算软件采用midas civil8.32，计算模型中考虑混凝土的收缩徐变，计算考虑以下四种施工方法：1）承台一次性浇筑；2）承台分为3.5m+2.5m两次浇筑；3）承台分为3.5m+2.5m两次浇筑，并在第一层安装管冷装置（内径51mm）；4）承台分为3.5m+2.5m两次浇筑，两层分别安装内径为51mm和32mm管冷装置。其中管冷设施竖向间距为1.5m，第一层和第二层管冷设施距离承台表面分别为1.0m和0.5m。中心温度随龄期变化对比图见图1所示，表面温度随龄期变化对比图见图2所示。
根据图1和图2可知：1）一次性浇筑成型的承台中心温度最高，达到50℃，分两层浇筑成型的承台第一层中心温度达到47.1℃，后两种施工方法第一层中心温度比较接近，最大值为36.8℃；2）具有管冷设施的承台中心温度达到最高温度的龄期比无管冷设施的承台早。3）第一层表面温度受到后浇筑的混凝土的水化热的影响较大，第二层承台具有管冷设施的升温幅度相对较小为18℃。
2.2 应力影响
索塔承台混凝土水化热后混凝土内部温度升高受到外部地基的约束，混凝土第一主拉应力超过混凝土的受拉容许应力，在承台表面及内部形成裂缝，因此对承台表面第一主应力的分析可以判别承台施工方法能否造成承台的开裂。中心应力随龄期变化对比图见图3所示，表面应力随龄期变化对比图见图4所示。
根据图3图4可知：1）无管冷降温措施的一次性成型和分层浇筑的第一层施工方法的中心应力较小，而且大部分处于受压状态，不易产生裂缝；2）分层浇筑第二层不设置管冷设施的施工方法，第一层由于受到后浇筑的混凝土的扰动的影响较大，在第一层中心易开裂；3）无管冷措施的承台在表面主拉应力超过混凝土的抗拉容许应力，产生裂缝；4）第二层浇筑的混凝土无管冷措施的表面应力对前期浇筑的混凝土不敏感；5）分层浇筑，并在每层布置管冷措施的承台，其每层的表面应力和中心应力都维持在一个较低的水平，不宜产生裂缝。 3 不同养护温度对承台的影响
大体积混凝土浇筑过程中除受到入模温度的影响外[ 3 ]，其在后期养护过程中受到养护温度的影响[ 4 ]。在其他因素相同的前提下，分析在5℃，15℃，25℃，35℃，45℃等不同养护温度下，承台表面温度及应力的发展状况如图5、图6所示。
从以上两图可以看出：1）随着养护温度的不同，混凝土的温度发展曲线不同，养护温度越高，其表面混凝土的温度最高点越高，并且超过养护温度，但混凝土表面的最终温度会与养护温度趋近；2）混凝土表面第一主应力随着养护温度的升高趋于扁平化，即养护温度越高，大体积混凝土内外温差越小，外部约束越小，不一造成混凝土表面的开裂；3）养护温度在5℃到25℃变化时，混凝土表面第一主应力的降低速率为0.01Mpa/℃，养护温度在25℃到45℃变化时，混凝土表面第一主应力的降低速率为0.006Mpa/℃，即表面第一主应力不是随养护温度的升高处于直线降低的过程，在养护温度达到25℃后，其降低速度减缓。
4 承台实测温度与理论温度对比分析
根据相关文献[ 2 ]，[ 5-9 ]及混凝土配合比等，计算得到承台混凝土比热c=1.04，按照指数式θ（τ）=θ0（1-exp（-mτ））和复合指数式θ（τ）=θ0（1-exp（-aτb））分别计算得到混凝土的绝热温度与龄期的关系曲线，放入模型中进行承台水化热有限元分析计算，并与施工过程中的温度监控数据进行对比。其中现场施工过程中采用第四种施工方法，即分层浇筑并在每层布置管冷措施。绝热温度曲线见图7所示，中心温度实测值和理论值对比图见图8所示。
根据以上两图可知：1）复合指数式的绝热升温函数计算得到的承台中心温度为47.9℃和实测的承台中心温度47.1℃非常接近，但是复合指数式升温函数的理论计算结果达到最大温度的时间点较早为浇筑后23h，实测承台达到最大温度的时间为浇筑后65h。2）指数式的绝热升温函数计算得到的承台中心温度为36.8℃，相对实测值偏低，承台达到最大温度的时间点为浇筑后84h，偏迟与实测结果。
5 結论及建议
根据以上对于承台大体积混凝土的施工方法的对比、承台养护温度的对比、以及对于不同的绝热升温函数理论计算结果与实测值的对比，可以得到以下结论和建议：
1）大体积混凝土分层浇筑，并在每层浇筑过程中布置管冷降温措施，可以有效降低混凝土的内外温度，减少混凝土内外开裂的可能性。
2）后浇筑层对前期浇筑混凝土表层混凝土的扰动较大，易造成先浇筑层的内部开裂，建议对先浇筑层中的管冷措施采取错层停止供水的办法，降低分层浇筑过程中的相互扰动。
3）养护温度在25℃以下，随着养护温度的升高，混凝土表面第一主应力的降低速率为0.01Mpa/℃，超过25℃后，其降低速率减缓，因此建议大体积混凝土的养护温度为25℃比较适宜。
4）复合指数式计算得到的理论最高温度和实测值较近，指数式计算得到的理论最高温度和实测值差别较大，但复合指数式计算得到的混凝土达到最高温度的时间点较早，在实际温度控制中需要根据实际测试温度调整相应的温度控制措施。
参考文献：
[1] 江昔平.大体积混凝土温度裂缝控制机理与应用方法研究[D].西安：西安建筑科技大学，2012.
[2] 朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京：中国电力出版社，1998.
[3] 李潘武，等.浇筑温度对大体积混凝土温度应力的影响[J].长安大学学报（自然科学版），201，9.
[4] 陈宇.桥梁大体积混凝土水化热温度控制研究[D].成都，西南交通大学，2016.
[5] 卢二侠.大体积混凝土承台水化热温度分析与控制[D].长沙：湖南大学，2007.
[6] 许德胜.大体积混凝土水化反应温度场与应力场分析[D].杭州：浙江大学，2005.
[7] 李彬彬.大体积混凝土温度应力有限元分析[D].西安：西安建筑科技大学，2007.
[8] 庞彪.连续刚构桥箱梁水化热温度场及其效应研究[D].西安：长安大学，2008.
[9] 刘琳莉.桥梁大体积混凝土水化热施工控制研究[D].成都：西南交通大学，2010.
作者简介：陈贺功（1981-），男，工程师，本科毕业于石家庄铁道学院土木工程分院桥梁方向，硕士研究生毕业于广西大学结构工程专业。
关键词：非线性有限元；大体积混凝土；温度控制；施工方法；管冷效果
Abstract：It was difficult to the temperature control of a railway cable-stayed bridge pile caps ，because of the mass concrete hydration.It was effective by using finite element software ，which analysed the temperature and the first principal stress with the different construction methods .The mass concrete with layered casting and cooling water pipe can reduce the effective of the hydration heat. Then with the same modle，the curing temperature which was 25℃ was relatively well for the temperature and the first principal stress.At last，througe the comparison and analysis for the measured value and the theoretical value， the composite index function for the adiabatic heating was real. But， the time of the mass concrete reached the highest temperature was cut short.
Key words：nonliner finite element；mass concrete；temperature control；construction method；effect of cooling water pipe
隨着工程建设的发展，大体积混凝土在公路水运和工民建筑里面越来越多的出现，但是大体积混凝土水化热放热过程中，大量的水化热导致混凝土内部快速升温，而混凝土是温度的不良导体[ 1 ]，大体积混凝土的内外温差受到混凝土的内外约束造成混凝土产生裂缝（包括表面裂缝、深层裂缝和贯穿裂缝）。混凝土的开裂不仅造成混凝土的劣化，造成结构的安全隐患，因此对大体积混凝土的温度的发展有研究的必要性。
1 工程概况
某铁路斜拉桥为双塔双索面斜拉桥（60m+120m+324m+120m
+60m），索塔承台采用大体积混凝土，承台尺寸为23.9m×30.5m，厚度6.0m，承台采用C30混凝土，每方混凝土材料含量：水泥247kg，水159kg，细骨料754kg，粗骨料1065kg。
2 不同施工方法的计算对比分析
2.1 温度影响
由于承台具有对称性，计算模型采用四分之一模型，参考相关文献资料[ 2 ]，考虑承台与地基之间的热传递作用，地基相对于承台每侧宽5m，计算软件采用midas civil8.32，计算模型中考虑混凝土的收缩徐变，计算考虑以下四种施工方法：1）承台一次性浇筑；2）承台分为3.5m+2.5m两次浇筑；3）承台分为3.5m+2.5m两次浇筑，并在第一层安装管冷装置（内径51mm）；4）承台分为3.5m+2.5m两次浇筑，两层分别安装内径为51mm和32mm管冷装置。其中管冷设施竖向间距为1.5m，第一层和第二层管冷设施距离承台表面分别为1.0m和0.5m。中心温度随龄期变化对比图见图1所示，表面温度随龄期变化对比图见图2所示。
根据图1和图2可知：1）一次性浇筑成型的承台中心温度最高，达到50℃，分两层浇筑成型的承台第一层中心温度达到47.1℃，后两种施工方法第一层中心温度比较接近，最大值为36.8℃；2）具有管冷设施的承台中心温度达到最高温度的龄期比无管冷设施的承台早。3）第一层表面温度受到后浇筑的混凝土的水化热的影响较大，第二层承台具有管冷设施的升温幅度相对较小为18℃。
2.2 应力影响
索塔承台混凝土水化热后混凝土内部温度升高受到外部地基的约束，混凝土第一主拉应力超过混凝土的受拉容许应力，在承台表面及内部形成裂缝，因此对承台表面第一主应力的分析可以判别承台施工方法能否造成承台的开裂。中心应力随龄期变化对比图见图3所示，表面应力随龄期变化对比图见图4所示。
根据图3图4可知：1）无管冷降温措施的一次性成型和分层浇筑的第一层施工方法的中心应力较小，而且大部分处于受压状态，不易产生裂缝；2）分层浇筑第二层不设置管冷设施的施工方法，第一层由于受到后浇筑的混凝土的扰动的影响较大，在第一层中心易开裂；3）无管冷措施的承台在表面主拉应力超过混凝土的抗拉容许应力，产生裂缝；4）第二层浇筑的混凝土无管冷措施的表面应力对前期浇筑的混凝土不敏感；5）分层浇筑，并在每层布置管冷措施的承台，其每层的表面应力和中心应力都维持在一个较低的水平，不宜产生裂缝。 3 不同养护温度对承台的影响
大体积混凝土浇筑过程中除受到入模温度的影响外[ 3 ]，其在后期养护过程中受到养护温度的影响[ 4 ]。在其他因素相同的前提下，分析在5℃，15℃，25℃，35℃，45℃等不同养护温度下，承台表面温度及应力的发展状况如图5、图6所示。
从以上两图可以看出：1）随着养护温度的不同，混凝土的温度发展曲线不同，养护温度越高，其表面混凝土的温度最高点越高，并且超过养护温度，但混凝土表面的最终温度会与养护温度趋近；2）混凝土表面第一主应力随着养护温度的升高趋于扁平化，即养护温度越高，大体积混凝土内外温差越小，外部约束越小，不一造成混凝土表面的开裂；3）养护温度在5℃到25℃变化时，混凝土表面第一主应力的降低速率为0.01Mpa/℃，养护温度在25℃到45℃变化时，混凝土表面第一主应力的降低速率为0.006Mpa/℃，即表面第一主应力不是随养护温度的升高处于直线降低的过程，在养护温度达到25℃后，其降低速度减缓。
4 承台实测温度与理论温度对比分析
根据相关文献[ 2 ]，[ 5-9 ]及混凝土配合比等，计算得到承台混凝土比热c=1.04，按照指数式θ（τ）=θ0（1-exp（-mτ））和复合指数式θ（τ）=θ0（1-exp（-aτb））分别计算得到混凝土的绝热温度与龄期的关系曲线，放入模型中进行承台水化热有限元分析计算，并与施工过程中的温度监控数据进行对比。其中现场施工过程中采用第四种施工方法，即分层浇筑并在每层布置管冷措施。绝热温度曲线见图7所示，中心温度实测值和理论值对比图见图8所示。
根据以上两图可知：1）复合指数式的绝热升温函数计算得到的承台中心温度为47.9℃和实测的承台中心温度47.1℃非常接近，但是复合指数式升温函数的理论计算结果达到最大温度的时间点较早为浇筑后23h，实测承台达到最大温度的时间为浇筑后65h。2）指数式的绝热升温函数计算得到的承台中心温度为36.8℃，相对实测值偏低，承台达到最大温度的时间点为浇筑后84h，偏迟与实测结果。
5 結论及建议
根据以上对于承台大体积混凝土的施工方法的对比、承台养护温度的对比、以及对于不同的绝热升温函数理论计算结果与实测值的对比，可以得到以下结论和建议：
1）大体积混凝土分层浇筑，并在每层浇筑过程中布置管冷降温措施，可以有效降低混凝土的内外温度，减少混凝土内外开裂的可能性。
2）后浇筑层对前期浇筑混凝土表层混凝土的扰动较大，易造成先浇筑层的内部开裂，建议对先浇筑层中的管冷措施采取错层停止供水的办法，降低分层浇筑过程中的相互扰动。
3）养护温度在25℃以下，随着养护温度的升高，混凝土表面第一主应力的降低速率为0.01Mpa/℃，超过25℃后，其降低速率减缓，因此建议大体积混凝土的养护温度为25℃比较适宜。
4）复合指数式计算得到的理论最高温度和实测值较近，指数式计算得到的理论最高温度和实测值差别较大，但复合指数式计算得到的混凝土达到最高温度的时间点较早，在实际温度控制中需要根据实际测试温度调整相应的温度控制措施。
参考文献：
[1] 江昔平.大体积混凝土温度裂缝控制机理与应用方法研究[D].西安：西安建筑科技大学，2012.
[2] 朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京：中国电力出版社，1998.
[3] 李潘武，等.浇筑温度对大体积混凝土温度应力的影响[J].长安大学学报（自然科学版），201，9.
[4] 陈宇.桥梁大体积混凝土水化热温度控制研究[D].成都，西南交通大学，2016.
[5] 卢二侠.大体积混凝土承台水化热温度分析与控制[D].长沙：湖南大学，2007.
[6] 许德胜.大体积混凝土水化反应温度场与应力场分析[D].杭州：浙江大学，2005.
[7] 李彬彬.大体积混凝土温度应力有限元分析[D].西安：西安建筑科技大学，2007.
[8] 庞彪.连续刚构桥箱梁水化热温度场及其效应研究[D].西安：长安大学，2008.
[9] 刘琳莉.桥梁大体积混凝土水化热施工控制研究[D].成都：西南交通大学，2010.
作者简介：陈贺功（1981-），男，工程师，本科毕业于石家庄铁道学院土木工程分院桥梁方向，硕士研究生毕业于广西大学结构工程专业。