水化热分析

第一章设计说明

第二章大体积混凝土承台水化热有限元分析

2.1 概论

2.1.1 大体积混凝土定义

目前国际上对大体积混凝土仍无一个统一的定义。就如美国混凝土学会的定义：任何就地现浇的混凝土，其尺寸到达必须解决水化热及随之引起的体积变形问题，以最大限度减少开裂的，称之为大体积混凝土。又如日本建筑学会对大体积混凝土的标准定义：结构断面最小尺寸在80cm以上；水热化引起混凝土内的最高温度与外界气温之差，预计超过25℃的混凝土。而我国《大体积混凝土施工规范》认为，混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1m的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土属于大体积混凝土。

由以上可见，大体积混凝土主要是依靠结构物的断面尺寸和水化热引起的温度变化来定性的。

2.1.2 大体积混凝土温度裂缝成因

施工期间水泥的水化热作用，在其浇筑后将经历升温期、降温期和稳定期三个阶段。大体积混凝土自身有一定的保温性能，因此在升温期其内部温升幅度较其表层的温升幅度要大得多,而在降温期内部降温速度又比其表层慢得多,在这些阶段中，混凝土各部分的温度变形及由于其相互约束及外界环境温度约束的作用，在混凝土内产生的温度应力是相当复杂的。由于混凝土的抗拉能力比较弱，一旦温度应力超过混凝土所能承受的拉力极限值时，混凝土就会出现裂缝。

因此必需掌握其水化热的变化规律，从而为混凝土配合比的修改及养护方案的制定提供依据。

2.1.3 本章研究的主要内容

(一)利用MADIS有限元软件建立大体积混凝土承台模型，并对其进行仿

真水化热计算。

(二)对其水化热进行参数分析。

2.2 承台仿真分析

2.2.1 工程基本概况

松柏山水库特大桥位于松柏山水库上游，为贵安新区黔中大道（三期）道路工程的一个控制性桥梁。左、右幅主桥均采用100+180+100m （桥梁中心线对应跨径）变截面预应力混凝土连续刚构桥，墩顶梁高12.0m ，跨中梁高4.2m ，采用挂篮悬浇施工。其主墩承台为C30混凝土，每个承台设置5层冷却管，承台尺寸为17.1m ×17.1m ×5m ，属于典型的大体积混凝土结构，主墩承台构造简图如下。

平面1710

立面

图2.2.1 主墩承台平面、立面示意图（单位：cm ）

2.2.2 基本计算数据

2.2.3 模型的建立

由于承台模型具有对称性，取1/4模型进行建模和分析，既可以提高建模速度、缩短分析时间，又方便查看内部温度分布及应力发生状况。为了模拟混凝土的热量传递给地基的情况，将地基模拟成具有一定比热和热传导率的结构；为了更准确的反应结构内部的温度、应力变化，分割单元时适当细分。

建模时在地基基础施加位移约束，在混凝土表面施加对流边界和环境温度条。1/4三维模型共计节点6490个、单元5356个，采用实体单元，如图2.2.2所示。

图2.2.2 1/4承台三维立体模型图（上层为承台，下层为地基基础）

2.2.4 计算工况与计算结果

（1）工况1：一次性浇筑，不布设冷却管。

（2）工况2：按照设计文件布设冷却管。

以下给出代表性温度场、应力场计算结果（图2.2.3~2.2.10），分两种工况给出。

图2.2.3 工况1承台内部中心节点温度时程曲线

图2.2.4 工况2承台内部中心节点温度时程曲线

图2.2.5 工况1承台内部中心节点应力时程曲线

图2.2.6 工况2承台内部中心节点应力时程曲线

图2.2.7 工况1承台内部水化热温度场云图（60h）

图2.2.8 工况2承台内部水化热温度场云图（60h）

图2.2.9 工况1承台内部水化热温度场云图（170h）

图2.2.10 工况2承台内部水化热温度场云图（170h）由上述计算结果简要分析如下：

（1）未布设冷却管时，承台内部最高水化热温度达66.6℃，持续时间长；而布设冷却管后承台内部最高水化热温度为53.1℃，相比之下降低了13.5℃，且持续时间较短。

（2）未布设冷却管时，由于水化热温升较高，导致其温度应力超过混凝土即时的材料强度，如不采取防裂措施，混凝土会产生温度裂缝；而布设冷却管时，相比下温升较低，导致其温度应力小于混凝土即时的材料强度，混凝土不会开裂。

（3）采用预埋冷却管方式施工，可以较好的降低水化热温度，减小混凝土内表面温差，有效的防止温度裂缝的产生，但应做好养护措施。

2.2.5 实测值与理论计算值对比分析

选取松柏山水库特大桥右幅8#主墩承台内部中心点进行分析。现场对右幅8#主墩承台进行了连续14天的观测，承台混凝土内部温度通过预埋温度传感器测试，大气温度、承台表面温度及冷却管进出水口温度采用点式温度计观测。承台中心温度实测值与理论值对比图如下。

图2.2.11 中心测点实测值与计算结果相比

从图2.2.11可看出，计算结果最高温度为53.1℃，出现在混凝土浇筑后60h；现场实测最高温度为53.2℃，出现在混凝土浇筑后64h；由于现场环境突变等因素的影响，两者曲线不可能完全一致，但计算温度曲线与实测温度曲线发展趋势相同，并且绝大部分测点计算结果与实测值相差不超过2℃。因此，承台仿真分析具有一定参考性和可靠性。

2.3 水化热参数分析

除了上述有无冷却管施工对水化热有影响外，还有很多因素与大体积混凝土的水化热密切相关，如内部因素有水泥类型、用量等，外部因素有入模温度、冷却管水温等。以上述承台为分析模型，运用MADIS有限元软件对影响水化热的主要参数进行分析。

2.3.1 水泥类型与用量

水泥是水化热产生的根本原因，分别采用普通硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥、高早强硅酸盐水泥、高炉矿渣水泥、粉煤灰水泥这5种水泥进行定量分析；分别取水泥用量300kg、325kg、350kg、375kg、400kg进行定量分析。取承台内部最大温升进行比较，分析结果见下图。