張春閣，丁 巖

（中交一航局第三工程有限公司，遼寧大連 116001）

廣東省南澳大橋工程E34～E39承臺(tái)尺寸為7.1 m×6.4 m×2.5 m，為大體積混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C35。承臺(tái)封底混凝土厚0.2 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C15。由于水泥水化熱溫升將引起復(fù)雜的溫度應(yīng)力，不采取適宜的防裂技術(shù)措施，可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂，影響結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性。為保證工程質(zhì)量，必須驗(yàn)算承臺(tái)結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力是否大于混凝土容許抗拉應(yīng)力。該工程采用MIDAS/Civil軟件對(duì)該承臺(tái)結(jié)構(gòu)水化熱產(chǎn)生的溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，并基于計(jì)算結(jié)論，在施工中采取了防裂技術(shù)措施，取得了較好的效果。

1 有限元模型的建立

1.1 材料與環(huán)境熱力學(xué)特性值

材料與環(huán)境熱力學(xué)特征值見表1。

表1 材料與環(huán)境熱力學(xué)特征值

1.2 承臺(tái)有限元分析模型的建立

由于承臺(tái)的對(duì)稱特性，采用Midas/Civil有限元軟件按承臺(tái)和封底混凝土的實(shí)際尺寸建立承臺(tái)有限元模型，承臺(tái)模型如圖1所示。

2 無冷卻水管的承臺(tái)混凝土溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力仿真計(jì)算

2.1 溫度場(chǎng)計(jì)算

2.1.1 水泥水化熱

該承臺(tái)所用水泥為42.5R普通硅酸鹽水泥，水化熱為3 d：270 kJ/kg；7 d：305 kJ/kg。

2.1.2 溫度場(chǎng)計(jì)算

按照施工方案承臺(tái)一次性澆筑施工。計(jì)算齡期為40 d，溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖2～圖3所示。

由計(jì)算結(jié)果可知，承臺(tái)在澆筑后第60 h結(jié)構(gòu)中心溫度達(dá)到最大值68.6℃，此時(shí)表面溫度為40.5℃，此時(shí)的內(nèi)外溫差大于規(guī)范所允許的25℃。

2.2 溫度應(yīng)力計(jì)算

未埋冷卻水管的混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖4～圖5所示。

由上述計(jì)算結(jié)果簡(jiǎn)要分析如下：

1）由圖5可知，承臺(tái)在澆筑完成后420 h左右中心點(diǎn)拉應(yīng)力將大于容許拉應(yīng)力，由此可能會(huì)使承臺(tái)內(nèi)部產(chǎn)生貫穿裂縫。

2）由圖5可知，承臺(tái)在澆筑完成后24 h左右結(jié)構(gòu)表面拉應(yīng)力將大于容許拉應(yīng)力，由此可能會(huì)使承臺(tái)產(chǎn)生表面裂縫。

產(chǎn)生裂縫的主要原因：一是水化熱溫升較高；二是當(dāng)?shù)仄骄髿鉁囟容^高；三是混凝土入模溫度較高。由于以上原因造成混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差太大，如不采取防裂措施，承臺(tái)將可能出現(xiàn)裂縫[1-2]。

3 埋有冷卻水管的承臺(tái)溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力仿真計(jì)算

為了減少承臺(tái)裂縫的產(chǎn)生，提高結(jié)構(gòu)的承載力和耐久性，承臺(tái)采用埋設(shè)冷卻水管的方法降低混凝土的內(nèi)外溫差[3]。

溫度應(yīng)力仿真計(jì)算的各項(xiàng)取值參數(shù)同上節(jié)，冷卻水管可采用外徑26 mm，壁厚2.5 mm的鋼管。冷卻水溫取30℃，流量取1.2 m3/h。

冷卻水管的埋設(shè)水平與豎直方向布置如圖6所示。

3.1 溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

與上節(jié)相似，承臺(tái)仿真計(jì)算齡期仍為40 d，溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖7～圖8所示。

由計(jì)算結(jié)果可知，承臺(tái)在澆筑后第48 h結(jié)構(gòu)中心溫度達(dá)到最大值59.1℃，承臺(tái)在澆筑后第24 h結(jié)構(gòu)表面溫度達(dá)到最大值42.2℃。內(nèi)外最大溫差為19℃，小于規(guī)范所允許的25℃。

3.2 溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

埋冷卻水管的混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖9～圖10所示。

由上述計(jì)算結(jié)果簡(jiǎn)要分析如下：

由圖10，承臺(tái)結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)和表面點(diǎn)拉應(yīng)力始終小于容許拉應(yīng)力，因此承臺(tái)混凝土結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫。

4 承臺(tái)冷卻水管布置方案

4.1 承臺(tái)冷卻水管布置

根據(jù)上述溫度應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，即由圖2～圖5所示溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果可以看出，在沒有冷卻水管冷卻作用的情況下，最高溫度必然出現(xiàn)在承臺(tái)的中心位置處，最低溫度出現(xiàn)在外表面。針對(duì)此特點(diǎn)，本方案提出把冷卻水管進(jìn)水口放于中部，采用環(huán)形逐步向外流的冷卻水管布置形式，這樣可以更有效地降低中部混凝土的溫度，同時(shí)可以使混凝土內(nèi)部溫度分布更加趨向均勻。由于承臺(tái)尺寸較大、冷卻水管長(zhǎng)度過長(zhǎng)，管內(nèi)溫度升高過多將會(huì)影響冷卻水管沿線方向混凝土的冷卻效果，因此在承臺(tái)中間處設(shè)置兩個(gè)進(jìn)水口，分為兩個(gè)循環(huán)以保證水管冷卻的效率。

4.2 冷卻水通水要求

通冷卻水是保證混凝土溫度降低的關(guān)鍵，因此必須控制好冷卻水的各項(xiàng)參數(shù)。通過冷卻水循環(huán)，降低混凝土內(nèi)部溫度，控制混凝土內(nèi)外溫差小于25℃，通過測(cè)溫點(diǎn)測(cè)量，掌握內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)溫度變化，以便及時(shí)調(diào)整冷卻水的流量，來及時(shí)控制內(nèi)外溫差。用水泵抽水，保證冷卻水口有足夠的壓力，流量控制在1.2 m3/h左右，進(jìn)出水管的水溫相差在5～10℃之間，通水冷卻一般在收倉即可通水，通水時(shí)間為10～15 d，控制降溫速度不大于1℃/d。承臺(tái)從澆注至澆注完混凝土后，半月內(nèi)需不間斷通水，從出水口流出的水不宜立即循環(huán)使用，水壓可根據(jù)天氣和內(nèi)部溫升的情況適當(dāng)調(diào)整，應(yīng)將出水口水溫盡量控制在40℃以下。

5 現(xiàn)場(chǎng)溫度監(jiān)控

現(xiàn)場(chǎng)采用海水冷卻降溫循環(huán)并采用溫度計(jì)對(duì)承臺(tái)進(jìn)水口、出水口、承臺(tái)表面進(jìn)行溫度跟蹤測(cè)量，其中進(jìn)水口溫度始終保持在28℃左右，出水口溫度在33~40℃之間。承臺(tái)內(nèi)部溫度最高溫度為52℃，承臺(tái)表面最高溫度34℃，內(nèi)外溫差18℃，與軟件計(jì)算結(jié)果相近，并小于25℃規(guī)范要求。承臺(tái)經(jīng)7 d有水養(yǎng)護(hù)后，沒有任何裂縫出現(xiàn)。

6 結(jié)語

1） 通過實(shí)例證明，采用Midas/Civil軟件建立大體積混凝土水化熱的有限元分析模型。其計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，能夠正確動(dòng)態(tài)模擬混凝土正常水化熱和采取降溫后水化熱的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

2） 運(yùn)用Midas/Civil軟件對(duì)大體積混凝土水化熱進(jìn)行計(jì)算，與傳統(tǒng)公式手算方法比較，其分析計(jì)算精度高，結(jié)果顯示詳細(xì)、直觀。

[1] 王鐵夢(mèng).工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京：建筑工業(yè)出版社，1997.

[2] 王鐵夢(mèng)，秦權(quán)，李永錄.大體積現(xiàn)澆混凝土裂縫控制專家系統(tǒng)[J].工業(yè)建筑，1990，20（6）：37-43.

[3]黃建蘋.淺談大體積混凝土早期裂縫的控制[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2003，8（4）：52-53.