论文-港珠澳大桥大体积混凝土配合比设计与有限元分析

1、港珠澳大桥大体积混凝土配合比设计与有限元分析丁庆军 陶瑞鹏 陈汝发 刘洪胜 摘要：对港珠澳大桥墩身和承台进行配合比优化设计，配制出抗裂、抗渗、抗冻和抗硫酸盐侵蚀性能良好的混凝土；对大体积混凝土进行有限元分析，对比分析预埋冷却水管和取消冷却水管两种施工方法下的混凝土温度和温度应力，结果表明：预埋冷却水管时大体积混凝土的温度应力小于同龄期下的劈裂抗拉强度，证明了混凝土具有较高的安全性能。关键词：大体积混凝土；配合比设计；温度应力TitleAbstract：Key words：1 工程概况港珠澳大桥承台为六边形，边缘顺桥向宽为12.2米，中心顺桥向宽为12米，横桥向16米，高5米，采用C45混凝土。

2、墩身下节与承台一起预制，墩身横桥向壁厚1.2米，顺桥向壁厚0.8米，采用C50混凝土，横桥向断面尺寸与实体尺寸均超过1m，混凝土一次浇注量大，属于典型的海工大体积混凝土。由于混凝土的水化热作用，混凝土浇筑后将经历升温期、降温期和稳定期三个阶段，在这个过程中混凝土的体积在温度变化影响下亦随之伸缩，混凝土体积变化受到约束就会产生温度应力，如果该应力超过混凝土的抗裂能力将导致混凝土开裂；因此为了避免混凝土出现裂缝，提高混凝土耐久性，保证工程质量，必须对混凝土的配合比进行优化设计和采取温控养护措施。2 混凝土配合比设计2.1原材料的选择水泥：东莞华润P.O. 42.5水泥，比表面积为377 m2/kg

3、；粉煤灰：广东沙角级粉煤灰，需水量比为96%，细度为8%（筛余）；矿粉：柳州台泥S95级矿粉，比表面积450m2/kg，流动度比为100%，7天活性指数为89.1%，28天活性指数为100%；砂：巴河中砂，细度模数2.6；石：阳新520mm连续级配碎石，压碎值8.9%；减水剂：江苏博特聚羧酸系高效减水剂，固含量为30，减水率25%。水：洁净的自来水2.2 密实骨架堆积法混凝土配合比设计当混凝土中水泥用量大时，其水化温升高，收缩大，易产生温度裂缝。为此采用密实骨架堆积法进行混凝土配合比设计，从而达到了减少胶凝材料用量、提高混凝土耐久性和体积稳定性的目的。确定混凝土的初步基准配合比（表2-1）。表

4、2-1 基准配合比及力学性能强度等级配合比（kg/m3） 性能 水水泥粉煤灰砂 碎石 外加剂 塌落度（mm） 7d 28dC451503201407801060 5.0 210 41 58C501453601207701050 5.3 220 47 61由表2-1的试验结果表明，采用密实骨架法设计的单掺粉煤灰混凝土的工作性能和力学性能均满足设计要求，但为了降低大体积混凝土的水化温升，减小内外温差，需要通过掺加矿粉替代水泥进行配合比优化。1.3配合比优化调整采用矿粉取代部分水泥，对密实骨架堆积法设计的混凝土配合比进行了优化调整，得到承台大体积C45混凝土配合比见表2-2所示：表2-2 承台C45

5、混凝土配合比编号原材料用量（kg/m3）塌落度(mm)强度(MPa)水泥粉煤灰矿粉砂碎石外加剂水0h1h7d28d 60dA119013014078010605.0614522020039.956.1 60.8A221013013078010605.2513421019540.256.8 61.6由表2-2可以看出以上两组混凝土的工作性能和力学性能均满足C45混凝土的设计和施工要求，但A1水泥用量相对较低，温升相对也低，因此采用A1配合比进行施工。表2-3 墩身和帽梁C50混凝土配合比编号原材料用量（kg/m3）塌落度(mm)强度(MPa)水泥粉煤灰矿粉砂碎石外加剂水0h1h7d28dB230

6、13012077010505.2815021019547.659.3由表2-3可以看出优化后的C50配合比大大减少了水泥用量，工作性能和力学性能都满足设计和施工要求。2.4混凝土长期性能和耐久性能2.4.1 抗裂性能研究使用笠井芳夫提出的混凝土(砂浆)早期抗裂性测试方法，测得结果如下：表2-4 混凝土早期平板开裂观测结果编号初裂时间/h裂缝最大宽度/mm裂缝平均开裂面积/mm2单位面积裂缝数目/根m-2单位面积的总开裂面积/mm2评定等级A1(C45)6.00.151.55114137.6B(C50)6.70.141.57102121.8由表2-4中可以看出所设计的配合比的抗裂等级均达到级。2

7、.4.2抗渗性能采用RCM法测定混凝土中Cl快速迁移的扩散系数，定量评价混凝土抗Cl的扩散能力。表2-5 Cl扩散系数试验结果配合比编号Cl扩散系数（1012m2/s）28d56dA1（C45）2.81.5B（C50）2.31.0从表中看出，C45和C50混凝土的28d Cl扩散系数为(2.0-3.5)10-12m2/s，56d Cl扩散系数为(1.0-2.0)10-12 m2/s，均达到设计要求。2.4.3抗冻性能本试验参照普通混凝土抗冻性能试验，采用慢冻法，对所设计的C45和C50混凝土配合比进行抗冻试验，试验结果见表2-6、2-7。表2-6 承台C45混凝土抗冻试验结果检测项目200次循

8、环300次循环123123标准养护强度(MPa)55.856.455.655.155.856.7冻融循环后强度(MPa)48.950.549.145.545.447.4强度损失()12.410.411.717.418.616.4质量损失()1.41.51.83.53.13.4抗冻标号F300试件外观完整、无脱落碎块完整、无脱落碎块表2-7 墩身C50混凝土抗冻试验结果检测项目200次循环300次循环123123标准养护强度(MPa)59.860.160.361.260.561.3冻融循环后强度(MPa)55.256.153.951.651.852.1强度损失()7.76.710.615.714

9、.415.0质量损失()1.11.00.82.23.02.7抗冻标号F300试件外观完整、无脱落碎块完整、无脱落碎块由表2-6、2-7可以看出，试件经受200、300次循环后，其强度损失率均小于25(标准规定)，质量损失较小，混凝土具有较高的抗冻融性能，所设计的C45和C50混凝土抗冻标号均大于F300。2.4.4抗硫酸盐侵蚀本试验采用混凝土长期性能和耐久性能试验方法(GB/T50082-2009)，检测其抗压强度，结果见表2-8。表2-8 混凝土抗硫酸盐侵蚀试验编号抗压强度/MPa抗蚀等级对比件150干湿循环硫酸盐侵蚀件A1（C45）55.444.6KS150B (C50)60.151.8K

10、S1503港珠澳大桥大体积混凝土有限元分析承台混凝土强度等级为C45，墩身部位混凝土强度等级为C50。浇筑工作量大，按照承台、墩身的结构尺寸，考虑温控及施工需要，参考设计图纸，承台连同2m高的墩身一同浇筑。采用ANASYS进行建模及大体积混凝土温度计算，模型见图3-1。图3-1 港珠澳承台及墩身有限元分析模型图3.1大体积混凝土温度计算结果3.1.1 取消冷却水管施工方案图3-2第3天水化热温度云图（单位：） 图3-3第7天水化热温度云图（单位：）图3-4第28天水化热温度云图（单位：）3.1.2 预埋冷却水管施工方案图3-5第3天水化热温度云图（单位：） 图3-6第7天水化热温度云图（单位：

11、）图3-7第28天水化热温度云图（单位：）通过温度分析，大体积混凝土结构最高温度、最大温差见表3-1。表3-1 大体积混凝土温度分析结果（）施工方案最高温度最大温差取消冷却水管73.533.8预埋冷却水管68.923.93.2 大体积混凝土应力计算结果3.2. 1 取消冷却水管施工方案图3-8第3天温度应力云图（单位：MPa） 图3-9第7天温度应力云图（单位：MPa）图3-10第28天温度应力云图（单位：MPa）3.2.2 预埋冷却水管施工方案图3-11第3天温度应力云图（单位：MPa） 图3-12第7天温度应力云图（单位：MPa）图3-13第28天温度应力云图（单位：MPa）通过温度应力分

12、析，大体积混凝土最大主应力见表3-2。表3-2 大体积混凝土最大主应力表（MPa）施工方案第3天第7天第28天预埋冷却水管0.831.262.04对C45和C50混凝土试块进行标准养护，各龄期的劈裂抗拉强度见表3-3表3-3 大体积混凝土劈裂抗拉强度（MPa）混凝土强度等级龄期(d)3728C451.93.14.6C502.53.95.1由表3-2、3-3可知，承台、帽梁混凝土各龄期的抗拉强度均大于相同龄期下的最大主应力，具有较高的安全系数。所以通冷却水进行温控，可避免温度裂缝的产生。4.结论对港珠澳大桥大体积混凝土配合比进行密实骨架堆积法设计，混凝土的力学性能和工作性均达到了设计和施工要求，墩身和承台混凝土的抗裂等级均达到级，抗冻性能标号均大于F300，抗硫酸盐侵蚀等级均KS150，承台C45混凝土的28d和56d的Cl扩散系数（1012m2/s）为2.8和1.5，墩身C50混凝土28d和56d的Cl扩散系数（1012m2/s）为2.3和1.0。对大体积混凝土进行有限元分析，采用ANASYS建模，对比计算取消冷却水管和预埋冷却水管两种施工方法的混凝土温度和温度应力变化。结果显示，在取消冷却水管的情况下，由于一次性浇筑方量较大，承台部分最高温度达到72.2，内外温差为31.1，墩身部分最高温