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混凝土桥墩施工期水化热及表面抗裂影响因素研究.pdf
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1、 桥梁建设2 0 1 5年第 4 5卷第 2期 ( 总第 2 3 1期) Br i d g e Co n s t r u c t i o n,Vo 1 4 5 ,No 2,2 0 1 5 ( To t a l l y No 2 3 1 ) 6 5 文章 编号 : 1 0 0 3 4 7 2 2 ( 2 0 1 5 ) 0 2 0 0 6 5 0 6 混凝 土桥墩 施工期水化 热及表 面抗 裂影响 因素研 究 章 征 , 王 凯 , 李毓龙 , 张文明。 , 刘 钊。 ( 1 安徽省高速公路控股集团有限公司大桥建设管理部, 安徽 合肥 2 3 0 0 8 8 ; 2 东 南大 学土木 工程 学
2、院 , 江 苏 南京 2 1 0 0 9 6 ) 摘 要 :为提 高混凝土桥墩表面抗裂性能, 对其施工期水化热及表 面抗裂影响 因素进行研究。 选取尺 寸 为 1 5 m1 2 m1 6 m 的 重 力式 矩 形 混凝 土桥 墩 , 采 用 ANS YS建 立有 限 元模 型 , 对 桥墩的水化热温度场与应力场、 养护工艺及构件设计参数对水化热温度场及其表面开裂的影响进 行 分析 。 分析 结果表 明 : 混 凝土桥 墩 水化 热过 程 中 , 由于钢 筋传 热 , 对 混凝 土表 面温 度场及 箍 筋 、 纵 筋相应 位 置混凝 土表 面应 力场产 生影 响 。采取 养 护措 施 对预 防混
3、凝 土早 期 开 裂 效果 较好 , 混凝 土 表 面应 力值 比无养 护 约下 降 0 6 MP a 。桥墩 表 面 温度应 力随 混凝 土 保 护层 厚度 增 大 而减 小 , 随箍 筋直 径增 大 而增 大 , 箍 筋 间距 变化对 其影 响 不明 显 。 关 键 词 :桥墩 ; 钢 筋 混凝 土结 构 ; 水化 热 ; 温度 场 ; 应 力场 ; 参数 分析 ; 有 限元 法 中 图分类 号 :U4 4 3 2 2; U4 4 1 5 文献 标志 码 : A S t u d y o f I n f l u e nt i a l Fa c t o r s o f Hy d r a t i
4、 o n He a t a n d S u r f a c e Cr a c ki ng Re s i s t a n c e o f Co nc r e t e Pi e r i n Co n s t r u c t i o n ZHANG Zhe n g ,WANG Ka i ,LI Yu l o n g。 ,ZHAN G W e n mi n g。 ,LI U Zh ao (1 De pa r t m e nt o f Br i d ge Co ns t r u c t i on M a na ge m e n t ,An hui Exp r e s s wa y Hol d i n g
5、 Gr ou p Co ,Lt d ,He f e i 2 3 0 0 8 8 ,C h i n a ;2 S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g,S o u t h e a s t Un i v e r s i t y ,Na n j i n g 2 1 0 0 9 6,Ch i n a ) Ab s t r a c t :To i m p r ov e t h e s ur f a c e c r a c ki n g r e s i s t a nc e be h a v i or o f c o nc r e t e p i e r
6、,t he i n f l ue nt i a l f a c t or s o f t he hy dr a t i o n he a t a n d s u r f a c e c r a c k i ng r e s i s t a nc e o f t he pi e r i n c o ns t r uc t i o n we r e s t u d i e dA gr a vi t y r e c t a ng ul a r c on c r e t e pi e r o f d i me ns i o ns of 1 5 m 1 2 m 1 6 m wa s s e l e c
7、t e dThe f i ni t e e l e me n t mod e l f o r t he pi e r wa s s e t up by t he A NSYS,t he t e mpe r a t ur e f i e l ds a n d s t r e s s f i e l d s of t he hy d r a t i o n he a t ,c u r i ng wo r k m a ns h i p a nd t he i nf l u e n c e o f t h e c o m p on e nt de s i g n p a r a me t e r s
8、o n t h e t e mp e r a t u r e f i e l d s a n d s u r f a c e c r a c k i n g o f t h e p i e r we r e a n a l y z e d Th e r e s u l t s o f t h e a n a l y s i s r e v e a l t ha t i n t h e du r a t i o n o f t he h yd r a t i o n he a t o f t h e c on c r e t e pi e r,t he he a t t r a ns f e r
9、 o f t he r e i nf or c e me nt c a us e s i n f l ue n c e o n t he s u r f a c e t e mpe r a t ur e f i e l ds a n d a l s o on t he s ur f a c e s t r e s s f i e l d s of t he c on c r e t e a t t he c o r r e s p on di n g l o c a t i o ns o f t h e s t i r r u ps a n d l o ng i t u di n a l r
10、e i n f o r c e m e nt The e f f e c t of p r e v e nt i ng e a r l y c r a c ki n g o f t he c o nc r e t e,us i ng t he c u r i ng m e a s u r e s i s go o dTh e s u r f a c e t e mpe r a t u r e s t r e s s v a l ue of t he c on c r e t e de c r e a s e s b y a b o ut 0 6 M Pa a s c ompa r e d t
11、o t ha t of t he c on c r e t e t ha t ha s n ot be e n c ur e d The s u r f a c e t e m p e r a t u r e s t r e s s o f t h e pi e r d e c r e a s e s wi t h t h e i n c r e a s e o f t he c onc r e t e c o ve r t hi c k ne s s,i nc r e a s e s wi t h t he i nc r e a s e of t he d i a me t e r s o
12、f t he s t i r r u ps ho we v e r t h e c ha n gi n g o f t he s t i r r up s pa c i ng d o e s n ot h a ve o b vi o us i nf l u e nc e o n t he t e m p e r a t ur e st r es S Ke y wo r ds : p i e r ; r e i nf o r c e d c o nc r e t e s t r u c t u r e ; hy dr a t i on h e a t ; t e mpe r a t ur e f
13、 i e l d; s t r e s s f i e l d;pa r a m e t e r a n a l y s i s ;f i ni t e e l e m e nt m e t ho d 收 稿 日期 : 基金项 目: 作 者 简 介 : 2 O l 4 1 0 2 8 交通运输部建设科技项 目( 2 0 1 3 3 1 8 J 1 4 3 6 0 ) P r o j e c t o f C o n s t r u c t i o n S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y o f Mi n i s t r y o f Tr a n s p
14、o r t( 2 0 1 3 3 1 8 J 1 4 3 6 0 ) 章征 , 高级工程师 , E ma i l : a h e w1 6 3 c o m。研究方 向: 公路工程管理 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 6 桥梁建设B r i d g e C o n s t r u c t i o n 1概述 通 常情 况下 , 混 凝土 实体 墩最小 边尺 寸大 于 1 2 m, 空心墩壁厚大于 1 m, 符合大体积混凝土定义 , 客观存在施工期水化热引起的混凝土表面早期开裂 问题。混凝土表面早期裂缝主要影响因素 1 有养护 工 艺及 构件 表面设 计 参
15、 数 ( 保 护 层 厚 度 、 箍 筋 直 径 、 筛筋间距等) 。目前在工程中, 为避免温度裂缝的发 生 , 多依赖经验确定养护工艺及构件表面设计参数 , 但此方法随机性较大。鉴于此 , 本文选取尺寸为1 5 m1 2 mX1 6 m 的重 力 式 矩 形 混凝 土桥 墩 模 型 进 行有 限元 仿真分 析 , 研 究 养 护 工艺 及 构 件 设计 参 数 对混 凝土 水化热 温度 场及其 表 面开裂 的影 响 。 2有 限元 分析模 型 的建立 采 用 ANS Y S建 立 桥 墩 有 限元 模 型 ( 图 1 ) , 进 行水化热温度场和应力场分析。温度场分析 中, 混 凝 土及 钢
16、筋 采用 S o l i d 7 0单 元模 拟 ; 应 力 场分 析 中 , 混凝土及钢筋采用 S o l i d 6 5单元模拟 。 ( a ) 整体模型 ( b ) 箍筋和纵筋局部模型 图 1 桥墩有 限元模型 Fi g 1 Fi ni t e El e me n t M o d e l f o r Pi e r 2 1 热传 导边 界条 件 桥墩模 型共 6 个 表 面 , 其 中上表 面无模 板 , 为与 空气的对流传热过程。4个侧 面( w 、 E、 N、 S面) 在 t 昆 凝土水化放热的前 9 h为钢模板与空气的对流传 热 过程 , 即浇 筑 至 拆 模 阶段 ; 9 h后 ,
17、 标 准 养 护 试 块 覆盖土工布 , 无养护试块没有覆盖层。根据不同养 护 方式 , 侧面 有 不 同 的交 流 换 热 系数 。下 表 面 为垫 护的钢模板 , 透过钢模向空气散热 。 各 表面 与空气 的交 流换 热系数 采用 以下 公式 l_ 2 计 算 。混凝 土表 面 没有 模 板 , 直 接 与 空气 接 触 的 交 流换热 系数 为 : 卢一 2 1 8+ 1 3 5 3 v ( 1 ) 混凝土表面有模板 , 通过模板或保温层向周 围介质 放热的等效交流换热系数为: D一 f9、 ( 1 ,a )+ 三( ) 式 中 , 为 风速 ; h 为保 温 层厚 度 ; 为 保 温层
18、 导 热 系数 。 考虑模型在 4级风力环境下, 风速为 8 m s 。钢 模 板厚 6 mm, 导热系数 A -7 6 7 k J ( m h ) 。侧 面拆模后 , 覆盖层为土工布, 厚度为 3 mm, 导热系 数 :0 1 6 7 k J ( m h) 。对 采用 标 准 养 护 和 无养护 2种条件下桥墩各表面的等效交流换热系数 的计算 结果 见表 1 。 表 1桥墩各表面的交流换热系数 Ta b 1 He a t Tr a ns f e r Co e f f i c i e n t s o f S u r foIc e s of Pi e r 2 2 计算 参数 ( 1 )水泥生热率
19、。为得到合适的水泥水化生热 率 , 选 取 添加粉煤 灰 水 泥 试样 与普 通 硅 酸 盐 水泥 试 样进 行基 于溶解 热 法 的水 化放 热试 验 3 “ 。将 试 验 所得 水泥 水化热 生热 曲线 与传 统经 验公式 _ 5 进 行对 比( 图 2 ) , 发 现传 统公 式 不能 准 确 反 映前 3 0 h混 凝 土的水化放热速率 , 因此本文根据实测 的普通硅酸 盐水泥水化热生热率曲线 , 进行有限元仿真分析。 0 1 5 3 O 4 5 6 O 7 5 9 0 1 0 5 1 2 0 1 3 5 1 5 0 1 6 5 1 8 0 时间 h 图 2水 泥 水 化 热 生 热
20、率 曲线 对 比 Fi g 2 Co mpa r i s o n o f He a t Ge n e r at i o n Ra t i o Cu r v e s o f Hy dr a t i o n He at of Ce me nt ( 2 )混凝土与钢筋参数 。运用实体单元模拟钢 筋 时 , 为保 证模 型 中钢筋 和混凝 土之 间 的热传 递 , 划 分 网格 后 , 对 混凝 土 和钢 筋相 互 接 触 的单 元 节点 采用 共节 点命 令 。模 型 中采用 的钢 筋参 数 和 C 4 0 混凝土相关参数见表 2 。 ( 3 )弹性 模 量时变 特性 。由欧 共体 混凝 土 设计
21、规 范 可得 , 混凝 土 在 不 同龄期 的 弹性模 量 与 混凝 土 2 8 d弹性模 量 的 比值为 : 筠舳 的 3 33 3 2 22 2111lO 00 1 _ 秀 斛鞭 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 混凝 土桥 墩施 T期水化热及表 面抗 裂影 响 素研究 章征 , 王凯 , 李毓龙 , 张文明 , 刘 钊 6 7 E ( , ) E = e x p 0 3 1 一 ( 2 8 f ) ” 一 e x p 0 o 6 E 1 一 ( 2 8 t ) ( 3 ) 式 巾 , , 为龄 期 ; E ( , ) 为混凝 土 在不 同龄期 的弹性 模 量
22、 ; 为 混凝 土 2 8 d弹性 模量 ; 为根据 水 泥 强 度等级 确 定 的系 数 。 2 3有 限元模 型 验证 制作 ANS YS模 型 采用相 同 参数 的相 应 桥墩 试件 , 进 行模 型试 验 。对 比 ANS YS计 算 与 试 验 实 测 的温 度 时 间 曲线 可 知 , 2种 方式 得 到 的 同 一 个 测 量点 的 温度 时间 曲线 趋势 及不 同时 间段 的温 度值 基 本 相 同 , 验 证 了 AN S YS模 型的正 确性 。 3 0 3 5 3 6 4 3 3 4 2 5l 5 4 8 5 9 8 5 4 6 8 1 3 3 3 9 2 3 9 4 7
23、 4 4 5 5 5 7 51 6 3 9 5 7 7 2 2 ( a ) 外部 3桥墩 的水 化热 温度 场与 应 力场分 析 对标 准 养护 条件 下桥墩 的温度 场 ( 图 3 ) 进行 分 析 可知 , 由于钢筋 传热 对 混凝 土表 面温 度场分 布产 生影 响 , 而对 混凝 土 内部温 度场 影响 不 明 。 将 温 度 场计 算 结 果作 为体 荷 载施 加 于模 型 t : , 进 行应 力求 解 。 可 得 水化 热 应 力场 。对 标 准 养护 条 件 下 , 桥 墩 表面应 力首 次 超 过托 应 力极 限 时 刻 的应 力场 ( 图 4 ) 进 行 分 析 可 知 ,
24、 箍 筋 和 纵 筋 相 应 位 置混 凝 土表 面应 力场 分 布产生 明 显影 响 。 3 0 4 2 3 3 8 8 0 3 4 7 6 0 3 5 5 5 6 3 6 3 9 4 3 3 4 6 l 3 4 2 9 9 3 5l _ 3 7 3 5 9 7 5 3 6 8 1 3 3 ( b ) 内部 单位: 图 3桥 墩 温 度 场 分 布 Fi g 3 Te m pe r a t ur e Fi e l d Di s t r i b ut i o n o f Pi e r Z y 0 2 0 7 E + l 2 0 7 3 9 E +l 3 0 1 4 6 E +l 4 0 21
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- 关 键 词:
- 混凝土 桥墩 施工期 水化 表面 影响 因素 研究
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