桥梁工程中大体积混凝土温度变化浅议

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摘要：为研究桥梁工程中大体积混凝土的温度变化问题，根据实际工程结合ANSYS有限元软件进行研究。研究结果表明：混凝土中温度场大的部位为中心部位；发现第二次浇筑的混凝土对第一次浇筑的混凝土温度场影响不大，因此，在进行混凝土浇筑时应尽可能地采用分层浇筑；从温度应力分析上来看，在进行混凝土浇筑时应控制好混凝土的入模温度。

关键词：桥梁工程；大体积混凝土；温度裂缝；有限元软件

0引言

混凝土是一种不导温的材料，在浇筑时因水化反应产生的热量不易散发而在内部形成温度应力，该应力的存在容易使混凝土产生裂缝，进而影响结构的安全。近年来，随着交通建筑业的快速发展，桥梁工程中的大型桥梁在不断增多，伴随着大体积混凝土的浇筑施工带来的水化热问题也引起了人们的关注，大体积混凝土因浇筑混凝土的量更多，体型更大，出现裂缝的概率更大。为此，本文结合桥梁工程中大体积混凝土的温度变化问题，根据实际的桥梁工程结合ANSYS有限元软件开展研究。

1工程概况

本工程为一座跨海大桥，其墩承台中存在大体积混凝土的温度裂缝问题，大桥的墩承台平面尺寸为59.08m×27.78m，形状为长六边形，承台的厚度为6m。采用C40强度等级的防腐抗冻高性能混凝土进行墩承台浇筑，总的承台浇筑混凝土用量为8511.6m3，本次浇筑正处于冬季，日平均气温较低，为保证混凝土质量，分为两次进行浇筑，每次浇筑的高度为3m，关于C40混凝土的配合比及原料情况如表1所示。

2有限元分析

利用ANSYS有限元软件建立与实际情况相似的三维模型，对墩承台的温度场及温度应力进行数值分析。采用ANSYS有限元软件的原因是其建模简单、计算功能较为强大。

2.1模拟的建立

模拟时对有限元软件中的模型进行假定，具体的假定如下所示：（1）假定模型中的混凝土为均匀质体，即假定所设的材料为各项同性质材料。（2）假定在同一层浇筑的混凝土的弹性模型及初始温度相同。（3）假定在设置边界条件时不考虑其对模型的影响，即假定同一个约束面的约束一致。（4）假定混凝土内部的钢筋不起影响作用。本次建模时设置热学参数、浇筑温度、对流边界条件及环境温度等因素。结构采用六面体八节点的单元，进行热分析时采用SOLID70单元进行分析。对模型的温度边界条件进行设置，对模型的垫层底面将结点的温度设置为恒等于土壤的温度（5℃），将浇筑面积承台的侧面设置为15℃（表面的放热系数为23.9），将承台侧初始浇筑时的温度设置为10℃。

2.2施工顺序模拟

对实际工程的施工顺序进行模拟，首先进行第一层混凝土的浇筑，即0～3m混凝土的浇筑模拟，主要通过控制ANSYS软件中对单元生与死的宏命令来实现各项参数边界条件及初始条件的变化。因为在模拟中已对浇筑层进行划分，所以只需激活相应层的单元即可表示一层混凝土的浇筑完成；然后进行间歇，间歇时间为16d，接着再进行第二层混凝土浇筑的模拟，即3～6m层混凝土，具体的模拟过程同前；最后再进行间歇来模拟混凝土的养护。在整个温度场的计算中，水泥的水化热作为主要的温度荷载施加在已被激活的各个节点上来完成模拟计算。

2.3模拟的结果分析

（1）墩承台温度场的分析对两次浇筑的中心及表面点取点进行温度场分析并绘制曲线，具体结果如图1所示。由图1（a）可知，最初不论是表面上的点还是中心位置的点，其温度都在浇筑开始之后迅速增大，并且都达到最大值。其中，中心点约在第5d出现温度最大值，约为39℃，表面点约出现在第3d，温度最大值约为26℃。后面随着浇筑的完成温度慢慢下降。对比两条曲线也可以发现在中心点位置的温度较高，而侧面及浇筑面的温度较低，出现这样的情况主要是因为混凝土是不导热的材料，在中心处散热较慢，而表面及侧面有空气流动进行热流交换，可以带走混凝土的表面温度，因此，其温度降低较快，温度较低。图1（b）为两层混凝土都浇筑完后混凝土中的某些点温度随时间的变化曲线图，由图1（b）可知，承台顶面中心点A的温度变化较快，主要由于该点位于承台顶面，空气对流较快，可以很快地带走表面的温度，因此出现曲线变化快的特点。承台的中心点B及第二层混凝土中心D均出现两个峰值。第一个温度最大值约出现在第一层浇筑后第5d，温度值约为27℃，随后由于空气对流带走热量，温度开始下降。第二次的温度最大值出现在第二层混凝土浇筑完成后的第3d，其温度值约为38℃及47℃，随后各点的温度均开始下降，B曲线第二次峰值的出现主要是由于第二层混凝土的浇筑，阻断了其中心混凝土热量的散发；C曲线为第一层混凝土的中心，只出现一次温度最大值，说明第二次混凝土的浇筑对第一层的混凝土温度影响较小。（2）墩承台温度应力分析对两次浇筑取点进行温度应力分析，具体的结果如图2、图3所示。图2表示第一层混凝土浇筑后在X向及Z向的混凝土最大拉应力随时间的变化曲线图，由图（2）可知，随着模型中混凝土内外温差的变化，其最大拉应力出现先增大后减小的变化趋势，最大的拉应力约出现在第10d，其值约为1.86MPa，并且发现整个过程中最大拉应力均小于混凝土的抗拉强度，说明在此时混凝土并未发生开裂。图3表示第二层混凝土浇筑后在Y方向的混凝土最大拉应力变化曲线图，由图（2）可知，待第二层混凝土浇筑后其最大拉应力在不断增大，并且在第22d之后，其最大拉应力大于混凝土的抗拉强度，说明此时的混凝土表面出现了裂缝。

3结语

为研究桥梁工程中大体积混凝土的温度变化问题，根据桥梁工程中墩承台混凝土浇筑的温度变化问题结合ANSYS有限元软件开展研究。通过研究发现，混凝土中温度场大的部位主要位于中心部位，在混凝土侧面及表面温度会因与空气对流将热量带走，中心部位的热量无处散发，因此，在施工时应采取相应措施降低混凝土中心部位的温度；并且发现第二次浇筑的混凝土对第一次浇筑的混凝土温度场影响不大。因此，在进行混凝土浇筑时应尽可能地采用分层浇筑。从温度应力分析上来看，混凝土浇筑时应控制好混凝土的入模温度。

作者:程昌勤 周少成 杨毅 单位:江西省交投集团抚州管理中心