1、广东省南澳大桥工程 E34E39 承台尺寸为 7.1 m6.4m2.5 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材料与环境热力学特征值见表 1。基于 M
2、idas/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）摘要：广东南澳大桥工程（三标段）东引桥浅水区 E34E39 承台为大体积混凝土结构（7.1 m6.4 m2.5 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
3、.25；TV544.91文献标志码：A文章编号：1003-3688（2012）04-0017-03Midas/Civil-based Calculation of Temperature Stress andCrack Control Measures for Mass ConcreteZHANG 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
4、 east approach（C-section）of Guangdong Nanao bridge in shallowwater is a mass concrete structure of 7.1 m6.4 m2.5 m.Based on the Midas/Civil 2010 finite element analysis software，thehydration heat numerical analysis model of mass concrete pile capping is built.The temperature stress of concrete is ca
5、lculatedseparately in concrete with cooling water pipes and without cooling water pipes.And the calculation results are applied toguide the field constructions.The application examples proved that the technical measures could effectively avoid concretecracking and ensure construction quality of mass
6、 concrete.Key words：Midas/Civil；mass concrete；hydration heat；construction quality中国港湾建设China Harbour Engineering2012 年 8 月第 4 期 总第 181 期Aug.，2012Total 181，No.4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。比热/（kJ kg-1-1）0.250.25密度/（kg m-3）2 375.62 400热传导率/（kJ m-1 h-1）2.32.3对流系数/（
7、kJ /m-2 h-1）1212大气温度/3030浇筑温度/3028 d 抗压强度/MPa58.520.0强度进展系数a=0.45 b=0.9528 d 弹性模量/MPa3.51052.2105热膨胀系数1.010-51.010-5泊松比0.180.18单位体积水泥用量260放热系数函数 K40.6a=1.377承台混凝土封底混凝土物理特性构件位置表 1材料与环境热力学特征值2012 年第 4 期中国港湾建设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无冷却水管的承台混凝土温
8、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 40d，温度场计算结果如图 2图 3 所示。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
9、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
10、.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。图 1承台有限元模型182012 年第 4 期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
11、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
12、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（下转第 32 页）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192012 年第 4 期中国港湾建设足够的压力，流量控制在 1.2 m3/h 左右，进出水管的水温相差在 510 之间，通水冷却一般在收仓即可通水，通水时间为 1015 d，控制降温速度不大于 1/d。承台从浇注至浇注完混凝土后，半月内需不间断通水，从出水口流出的水不宜立即循环使用，水压可根据天
13、气和内部温升的情况适当调整，应将出水口水温尽量控制在 40 以下。5现场温度监控现场采用海水冷却降温循环并采用温度计对承台进水口、出水口、承台表面进行温度跟踪测量，其中进水口温度始终保持在 28 左右，出水口温度在 3340 之间。承台内部温度最高温度为 52，承台表面最高温度 34，内外温差 18，与软件计算结果相近，并小于 25 规范要求。承台经 7 d 有水养护后，没有任何裂缝出现。6结语1）通过实例证明，采用 Midas/Civil 软件建立大体积混凝土水化热的有限元分析模型。其计算结果准确，能够正确动态模拟混凝土正常水化热和采取降温后水化热的发展状态。2）运用 Midas/Civil
14、 软件对大体积混凝土水化热进行计算，与传统公式手算方法比较，其分析计算精度高，结果显示详细、直观。参考文献：1王铁梦.工程结构裂缝控制M.北京：建筑工业出版社，1997.2王铁梦，秦权，李永录.大体积现浇混凝土裂缝控制专家系统J.工业建筑，1990，20（6）：37-43.3黄建苹.浅谈大体积混凝土早期裂缝的控制J.水电自动化与大坝监测，2003，8（4）：52-53.2.3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
15、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（PC）。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（0）。估算结果表明：PC 0。2.4淤泥质土、黏性土（B 层）的固结程度从前面估算的结果 PC0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
16、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 1.251.8。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。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 1.41.8，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；2）采用国际先进的 CPTU 探头和设备进行现场触探试验；
17、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 1.42.2，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 1.41.8。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，1999：213-222.3E 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.（上接第 19 页）32