07-基于midas Civil的大体积混凝土温度应力计算及其防裂技术措施

2012 年第 4 期
图 1 承台有限元模型 2 无冷却水管的承台混凝土温度场和温度应力仿真计算 2.1 温度场计算 2.1.1 水泥水化热
该承台所用水泥为 42.5R 普通硅酸盐水泥，水化热为 3 d：270 kJ/kg；7 d：305 kJ/kg。 2.1.2 温度场计算
按照施工方案承台一次性浇筑施工。计算龄期为 40 d，温度场计算结果如图 2～图 3 所示。
ZHANG Chun-ge，DING Yan
（No.3 Eng. Co.，Ltd. of CCCC First Harbor Engineering Co.，Ltd.，Dalian，Liaoning 116001，China）
Abstract：The capping block on E34 - E39 for the east approach （C -section） of Guangdong Nan'ao bridge in shallow water is a mass concrete structure of 7.1 m×6.4 m×2.5 m. Based on the Midas/Civil 2010 finite element analysis software，the hydration heat numerical analysis model of mass concrete pile capping is built. The temperature stress of concrete is calculated separately in concrete with cooling water pipes and without cooling water pipes. And the calculation results are applied to guide the field constructions. The application examples proved that the technical measures could effectively avoid concrete cracking and ensure construction quality of mass concrete. Key words：Midas/Civil；mass concrete；hydration heat；construction quality
2012 年第 4 期
张春阁，等：基于 Midas/Civil 的大体积混凝土温度应力计算及其防裂技术措施
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由上述计算结果简要分析如下： 由图 10，承台结构中心点和表面点拉应力始终小于容 许拉应力，因此承台混凝土结构不会产生温度裂缝。 4 承台冷却水管布置方案 4.1 承台冷却水管布置 根据上述温度应力场计算结果，即由图 2～图 5 所示温 度场计算结果可以看出，在没有冷却水管冷却作用的情况 下，最高温度必然出现在承台的中心位置处，最低温度出 现在外表面。针对此特点，本方案提出把冷却水管进水口 放于中部，采用环形逐步向外流的冷却水管布置形式，这 样可以更有效地降低中部混凝土的温度，同时可以使混凝 土内部温度分布更加趋向均匀。由于承台尺寸较大、冷却 水管长度过长，管内温度升高过多将会影响冷却水管沿线 方向混凝土的冷却效果，因此在承台中间处设置两个进水 口，分为两个循环以保证水管冷却的效率。 4.2 冷却水通水要求 通冷却水是保证混凝土温度降低的关键，因此必须控 制好冷却水的各项参数。通过冷却水循环，降低混凝土内 部温度，控制混凝土内外温差小于 25 ℃，通过测温点测 量，掌握内部各测点温度变化，以便及时调整冷却水的流 量，来及时控制内外温差。用水泵抽水，保证冷却水口有
土贯穿裂缝的产生，保证大体积混凝土的施工质量。
关键词：Midas/Civil；大体积混凝土；水化热；施工质量
中图分类号：U443.25； TV544.91
文献标志码：A
文章编号：1003- 3688（2012）04- 0017- 03
Midas/Civil-based Calculation of Temperature Stress and Crack Control Measures for Mass Concrete
（下转第 32 页）
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中国港湾建设
2012 年第 4 期
2.3 先期固结压力估算 在分析珠江口相关工程的勘察资料时，选取了有代表
性的钻孔，对杂色黏性土下面的 B 层淤泥质土、黏性土的 先期固结压力进行了估算。根据区域资料，珠江口地区没 有大剥蚀的地质历史，粗略认为，海退后经过长期的干 燥，地下水位下降到杂色黏性土底面时，B 层淤泥质土、 黏性土的上覆压力最大，其值即先期固结压力 （P）C 。重新 海侵后，杂色黏性土层完全饱和，并接受上部滨海相沉 积，形成了现在的上部土层和有效上覆压力 （σ0′）。估算 结果表明： PC ≤ σ0′。 2.4 淤泥质土、黏性土 （B 层） 的固结程度
2012 年 8 月 第 4 期 总第 181 期
中国港湾建设
China Harbour Engineering
Aug.，2012 Total 181，No. 4
基于 Midas/Civil 的大体积混凝土温度应力 计算及其防裂技术措施
张春阁，丁岩
（中交一航局第三工程有限公司，辽宁 大连 116001）
从前面估算的结果 PC≤σ0′看，实际发生的先期上覆压 力可能不是导致表现出超固结特征的主要因素。
本层是 Q3 时期形成的地层，时代久远，应考虑到在有 效应力不变的情况下发生黏滞固结，表现出超固结特征。 可以认为引起的似超固结比约为 1.4，并且不随深度而变。
在长期的地质历史中，地下水位的变化也会导致土层 表现出超固结特征，研究资料[3]表明，由于地下水位变化 和黏滞固结这两个因素共同作用产生的超固结比值多数是 相同的，一般为 1.25～1.8。另外尽管珠江口没有大剥蚀的 地质历史，但是在漫长的地质历史中剥蚀是存在的，局部 地段剥蚀可能还会比较显著，也会引起一定程度的超固 结。
2 375.6
2 400
热传导率（/ kJ·m-·1 h-1）
2.3
2.3
对流系数（/ kJ·/m-·2 h-1）
12
12
大气温度/℃
30
30
浇筑温度/℃
30
—
28 d 抗压强度/MPa
58.5
20.0
强度进展系数
a=0.45 b=0.95
—
28 d 弹性模量/MPa
3.5×105
2.2×105
热膨胀系数
由计算结果可知，承台在浇筑后第 60 h 结构中心温度 达到最大值 68.6 ℃，此时表面温度为 40.5 ℃，此时的内外 温差大于规范所允许的 25 ℃。 2.2 温度应力计算
未埋冷却水管的混凝土内部温度应力计算结果如图 4～ 图 5 所示。
由上述计算结果简要分析如下： 1） 由图 5 可知，承台在浇筑完成后 420 h 左右中心点 拉应力将大于容许拉应力，由此可能会使承台内部产生贯 穿裂缝。 2） 由图 5 可知，承台在浇筑完成后 24 h 左右结构表 面拉应力将大于容许拉应力，由此可能会使承台产生表面 裂缝。 产生裂缝的主要原因：一是水化热温升较高；二是当 地平均大气温度较高；三是混凝土入模温度较高。由于以 上原因造成混凝土结构内外温差太大，如不采取防裂措 施，承台将可能出现裂缝[1-2]。 3 埋有冷却水管的承台温度场和温度应力仿真计算 为了减少承台裂缝的产生，提高结构的承载力和耐久 性，承台采用埋设冷却水管的方法降低混凝土的内外温差[3]。 温度应力仿真计算的各项取值参数同上节，冷却水管 可采用外径 26 mm，壁厚 2.5 mm 的钢管。冷却水温取 30 ℃，流量取 1.2 m3/h。 冷却水管的埋设水平与竖直方向布置如图 6 所示。 3.1 温度场计算结果 与上节相似，承台仿真计算龄期仍为 40 d，温度场计 算结果如图 7～图 8 所示。 由计算结果可知，承台在浇筑后第 48 h 结构中心温度 达到最大值 59.1 ℃，承台在浇筑后第 24 h 结构表面温度达 到最大值 42.2 ℃。内外最大温差为 19 ℃，小于规范所允 许的 25 ℃。 3.2 温度应力计算结果 埋冷却水管的混凝土内部温度应力计算结果如图 9～图 10 所示。
综上分析，该层土表现出超固结的特征，主要应该是 由于黏滞固结和地下水位变化这两个因素共同作用产生 的，其 （似） 超固结比应在 1.4～1.8，局部可能会更大。 3 勘察成果的对比
在珠江口相关工程的勘察中，为了确定 B 层淤泥质 土、黏性土的固结程度，采用了多种先进的勘察手段：
1） 采用活塞取土器取得一级土样进行固结试验，以 求得准确的先期固结压力；
摘 要：广东南澳大桥工程 （三标段） 东引桥浅水区 E34～E39 承台为大体积混凝土结构 （7.1 m×6.4 m×2.5 m）。基
于 Midas/Civil2010 有限元分析软件对该承台建立大体积混凝土水化热数字分析模型。对无冷却水管和有冷却水管的
混凝土内部分别进行温度应力计算，并将计算结果指导于现场施工。应用实例证明，这些技术措施可有效避免混凝
材料与环境热力学特征值见表 1。
收稿日期：2012- 03- 31 修回日期：2012- 06- 03 作者简介：张春阁 （1970 — ），男，大连市人，工程师，港口与航道
工程专业。
表 1 材料与环境热力学特征值
物理特性
构件位置
承台混凝土
封底混凝土
比热（/ kJ·kg-1℃-1）
0.25
0.25
密度（/ kg·m-3）
广东省南澳大桥工程 E34～E39 承台尺寸为 7.1 m×6.4 m×2.5 m，为大体积混凝土结构，混凝土设计强度等级为 C35。承台封底混凝土厚 0.2 m，混凝土强度等级为 C15。 由于水泥水化热温升将引起复杂的温度应力，不采取适宜 的防裂技术措施，可能会导致结构开裂，影响结构的整体 性和耐久性。为保证工程质量，必须验算承台结构的温度 应力是否大于混凝土容许抗拉应力。该工程采用 MIDAS/ Civil 软件对该承台结构水化热产生的温度场和温度应力进 行计算，并基于计算结论，在施工中采取了防裂技术措 施，取得了较好的效果。 1 有限元模型的建立 1.1 材料与环境热力学特性值
1.0×10-5
1.0×10-5
泊松比
0.18
0.18
单位体积水泥用量
260
—
放热系数函数 K
40.6a=1.377
—
·18·
中国港湾建设
1.2 承台有限元分析模型的建立 由于承台的对称特性，采用 Midas/Civil 有限元软件按
承台和封底混凝土的实际尺寸建立承台有限元模型，承台 模型如图 1 所示。
2） 采用国际先进的 CPTU 探头和设备进行现场触探试 验；
3） 采用改进工艺的十字板剪切试验进行现场剪切试验。 经过对以上测试资料的整理分析，B 层的超固结比多 数为 1.4～2.2，静止侧压力系数 K0 值与一般的正常固结土 接近。实际测试的结果与上面的分析基本是吻合的。 4 结语 广州南沙港地区的土层海陆交互沉积的特征比较明 显，珠海高栏港地区的土层更主要呈现滨海相沉积的特 征。珠江口地区揭示的杂色黏性土层是该地区的标志性土 层，是在末次冰期海退后，原来的滨海相土层经过长期的 干燥、风化形成的，形成时代为 Q3 末期至 Q4 早期，该层 因胶结产生结构强度而显现超固结特征。杂色黏性土下面 的灰色淤泥质土、黏性土是 Q3 时期沉积的滨海相土层，该 层显现超固结的特征，主要应该是由于黏滞固结和地下水 位变化这两个因素共同作用产生的，其 （似） 超固结比大 约为 1.4wenku.baidu.com1.8。 黏性土层的固结程度对本地区的工程建设有重大影 响，在相关工程的地质问题研讨会上，都重点探讨了这个 问题。 参考文献： [1] 罗章仁，应秩甫. 华南港湾[M]. 广州：中山大学出版社，1992： 12-13. [2] 赵焕庭，张乔民. 华南海岸和南海诸岛地貌与环境[M]. 北京：科 学出版社，1999：213-222. [3] E W BRAND，R P BRENNER. 软粘土工程学[M]. 叶书麟，译. 北 京：中国铁道出版社，1991：158-163.