MidasCivil在大体积混凝土承台水化热控制中的应用

1、M i das/Civil 在大体积混凝土承台水化热控制中的应用李长瑞, 杜嘉林(山东科技大学 资源与环境工程学院, 山东青岛 266510摘要:运用三维有限元软件M i d as/Civ il 对大体积混凝土承台进行设计分析, 按照实际冷却水管的布置、水流情况、边界条件、实际施工过程等因素进行了全程水化热温度场的仿真分析, 最终确定了分层浇筑和布置冷却管的方法, 并在施工过程中进行温度监控确保了承台的质量。关键词:承台; 大体积混凝土; 有限元仿真; M i d as /C i v i; l 冷却管; 温度监控中图分类号:TU528 01文献标识码:A引言根据地形及河道情况, 某桥结构组合为

2、简支T 梁+连续刚构+简支T 梁。主跨部分为预应力混凝土连续刚构, 桥梁全长1610m, 主墩承台共占1020m , 为大体积混凝土。大体积混凝土浇注后一段时间, 内部水化热不易散失, 外部混凝土散热较快, 水化热温升随壁(板 厚度增加而加大, 混凝土内外形成一定的温度梯度。混凝土中心与表面各质点间的内约束以及来自地基及其他外部边界约束的共同作用, 使混凝土内部产生压应力, 混凝土表面产生拉应力。因此大体积混凝土容易产生温度裂缝, 施工前需要进行水化热分析, 施工时需要进行温度监控。传统的近似公式法和图表计算混凝土温度变化虽然简单, 但误差较大。本文根据求解空间不稳定温度场的有限元法原理, 结

3、合实际工程实例用有限元大型软件M idas /Civil对大体积混凝土进行仿真分析。3The application ofM idas /C ivil soft w are i n mass concrete pile caphydration heat controlLI Chang -rui , DU J ia -lin(Resourcesand E nv i ron m e n tEng i nee ring In stit u te Of Shandong Un i versit y Of Sc i ence and T e chnolo gy, Shand ong Qingda o

4、266510Ch i na 1 有限元仿真1. 1 理论基础(1 热源是为了模拟水化热过程发生的热量进行定义的, 大体积混凝土有水化热引起的单位时间、单位体积的内部发热量可以通过将绝热温度上升式微分, 再乘以比热和密度来计算。单位时间、单位体积的内部发热量(kcal/m h 为:3Abst ract :The pa per anal yzed them ass c oncrete p ile cap des i gn using three -dm i ensional fi nite ele m ent soft ware M i das /Ci v i, l and had a s m i

5、 ul ation anal ysis of t he whole hydrati on heat te mperat ure field accor di ng to the act ual arra nge m ent of cooli ng water p i pe ,flo w conditi on ,boundar y conditi ons and actual co nstruction process . F i nally it deter m ined t he m ethod of the layer pouri ng a nd decorate cooling pipe

6、 , and c ontr olled the te m perat ure i n constr uction process to e nsure the quality of pile caps . K ey words :pile cap ; m ass concrete ; s m i ulati on ; monit or .收稿日期:2010 06 03作者简介:李长瑞(1985 , 男, 山东枣庄人, 硕士研究生, 研究方向为交通土建。g =1-at /24c K e (1 24-at绝热温度上升( 为:T =K (1-e (2 式中:T 绝热温度( ; K 绝热最高上升温度(

7、 ; 反应速度; T 时间(d 。(2 冷管是把管道埋设在混凝土结构内, 通过循环管道内的低温流体进行热交换, 来降低水化热引起的温度上升。这种热交换的形式是流体和管道表面对流引起的热交换, 流体在管道内循环后上升温度。流体和管道之间对流产生的热传递量:q con v =h p A s (Ts -T m =h p A sT s , l +T s , o T m, l +T m, o-22fi nite ele m e nt te mperatureM i das /Civi; l cooli ng pi pe ;山东交通科技2度( 。(3 模拟参数分析2011年第1期(3 式中:h p 管道的

8、流水对流系数(kcal/m h ; A s 管道的表面积(m; T s , T m 管道表面和冷却水的温2表1 有限元模拟分析参数材料参数比热k cal (kg 容重(k N m-3-1混凝土0. 234825. 49土基0. 2181. 712-10103-1热传导率k cal (m h 22. 31230A=4 5b=0 953. 15 101. 0 100. 184对流系数k cal (m h 28d 抗压强度(MPa强度发展系数AC I 28d 弹性模量(MPa热膨胀系数泊松比水泥用量(k N m 热源函数系数环境温度( 混凝土浇注温度( -3-1-5-50. 2-25. 6-4. 3

9、K=41a=0. 75925. 620热源函数最大绝热升温系数(K 、导热系数(A 和水泥种类有关, 承台水泥用低热硅酸盐水泥, 单位水泥用量315kg /m, 冷却水的对流系数随冷却水的流速而变化:h p =4 75v +43 0(4 式中:v 流速(c m /s 。1. 2 计算模型分类(1 承台施工方式为整体式施工, 模型如图1 所示。图2 144h 温度云图3由图2可知混凝土水化热的温度在144h 左右时, 此时混凝土内外最大温差达到了25 , 由大体积混凝土施工规范(GB50496-2009 可知, 已超过最大允许温差, 故应考虑进行分层施工。(2 分层浇筑混凝土承台。结合工程实际,

10、 将大体积混凝土分三次浇注, 各次时间间隔为216h , 168h 。同时考虑分层空气对流的影响, 由分析软件图1 整体浇注混凝土承台可知, 各层大体积混凝土中心代表节点2502、2506、2510及表面代表节点10181、10187、10193的温度时程曲线如图3所示。由温度时程曲线可知砼浇筑后一般在4d 后即达本承台共有节点18921个, 单元16696个。上部为混凝土结构, 下部为土基。各施工阶段混凝土温度如图2 所示。 李长瑞, 杜嘉林:M idas /Civil 在大体积混凝土承台水化热控制中的应用图5 冷却管布置图3 各代表点温度时程曲线到温度峰值, 温峰持续20h 后温度开始下降

11、, 初期降温速度较快, 以后降温速率逐渐减慢, 至1520d 后降温平缓, 温度趋于准稳定状态。第一层砼内部最高温度约为55 59 , 第二层砼内部最高温度约为57 03 , 第三层混凝土内部最高温度约为56 57 , 各层混凝土内外温差均不超过25 。各代表点应力时程曲线如图4 所示。由上图可知混凝土在240h 温度应力达到1 1M Pa , 混凝土在布置冷却管后温度及应力时程曲线均未超过最大值, 不会产生温度裂缝, 故此方案可行。图6 温度应力时程曲线2 温度监控2. 1 冷却管布置承台分三层进行浇注, 分别为2m, 1. 5m, 1. 5m, 从下至上布置六层冷却管, 冷却管水平及垂直布

12、置如图7, 图8 所示。图4 代表点应力时程曲线根据计算结果, 承台砼早期(14d 左右 最大温度应力为1 62M Pa , 而此时C30砼劈裂抗拉强度1 52 0M Pa , 抗裂安全系数K 1 4, 容易产生有害温度裂缝。(3 考虑进行冷却管的使用, 冷却管管径采用常见P VC 管, 管径为0. 027m, 冷却管布置图见图5。由计算模型二及实际施工经验可知, 在添加冷却管之后, 各层混凝土最高温度及内外温差均可满足要求, 故只需要检查温度应力。由温度应力云图可知大体积混凝土最大温度应力发生在240h 左右, 最大温度应力点为N2506, 主拉应力的时程曲线如图6 。(1 冷却管采用具有一

13、定强度的外径为30mm 钢管, 安装时需注意管道畅通, 丝口接头可靠, 并通过试通水检验, 防止混凝土浇筑过程中出现管道漏水现象; (2 混凝土配合比确定后, 应根据发热量, 按照内外温差不超过25 的原则, 确定进水量及水流速度,图7 冷却管水平布置图山东交通科技 2011年第1期应严格控制进出水温差不大于6 ; (3 通水过程中对管道流量和进出水均需隔12h 进行一次测量记录; (4 冷却管在连续通水7d 后灌浆封孔, 并将伸出 承台侧面的管道截断。结果分析如下:(1 混凝土水化热浇注4d 左右普遍达到最高温度; (2 混凝土内部最高温度最高可达到49 , 发生在240h 显示左右; (3

14、 承台内外温差最大不超过25 , 符合设计要求。图8 冷却管垂直布置图图11 1 号监控点温度时程曲线2. 2 温度监控方案本监控采用大体积混凝土电脑智能测温系统, 整个监控过程可由电脑自动进行。测温点传感器的的竖向布置:(1 一般每个平面位置设置一组5个, 均匀布置在砼的上、中、下位置(如图9 。上测点均位于砼表面15c m 处, 另外选承台中心(一号传感器 位置处依附钢筋布设六个传感器, 上面一个传感器布设到空气中从而测量空气温度。图10为传感器平面位置布置。(2 砼浇注完46h 开始测温。2d 内, 每2h 测温一次; 龄期37d 内, 每4h 测温一次, 7d 后一天测一次, 每次测温

15、同时须测出周围环境的温度。(3 终止测温条件:测温主要控制中心温度与表面温差, 表面和大气温差不超过20 (测量最高温度-最低气温 , 控制降温梯度一般每天不超3 , 至表面温度和大气温度之差小于20 就可以撤除保温。图12 6号监控点温度时程曲线3 结语在承台砼大体积施工中, 由于计算准确、措施得当、现场施工组织严密, 承台没有出现有害的温度裂缝, 温控效果良好。以上措施对大体积砼施工中的温度问题进行了有效控制, 避免了裂缝的出现, 确保了大体积砼施工的工程质量。混凝土的实际浇注过程对大体积混凝土温度场具有一定的影响, 如何应用有限元软件准确模拟混凝土的浇注过程, 使得水化热温度分析结果更好地符合实际情况, 有待于进一步研究。参考文献:图9 混凝土传感器立面布置示意图1 李鑫, 杜嘉骅, 张若钢等. 桥梁承台大体积砼水化热温度监测及数值分析J.公路与汽运, 2009, 25(5:112-115. 2 黄志福. 大体积承台混凝土水化热分析及温控措施J.工程与建设, 200