沪苏湖铁路青浦特大桥大体积混凝土施工裂缝控制关键技术研究.pdf
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1、广 西 城 镇 建 设 GUANGXI CHENGZHEN JIANSHE2023/7 总第 248 期丨大体积混凝土抗裂问题最早起源于20世纪早期的水工结构,因彼时混凝土质量较差、施工技术存在缺陷,很多当时建设的混凝土坝在后期出现严重的裂缝,引起了人们的重视。此后的几十年,人们通过不断研究和经验累积,确定大体积混凝土早期开裂的主因是表里温差在混凝土表面形成的较大拉应力和混凝土早期收缩产生的收缩应力超过混凝土的极限抗拉强度。在此基础上,人们研究并制定一系列比较有效的抗裂措施,但由于大体积混凝土抗裂是一个很复杂的问题,存在众多的影响因素,想要通过计算来精确模拟大体积混凝土结构早期的温度场、应力场
2、比较困难,一般建设人员难以掌握,因而现代实际工程中大体积混凝土抗裂主要依靠相关工作人员经验。中国工程院院士朱伯芳是该研究领域的领军人物,他结合有限单元法编制了计算程序,实现大体积混凝土结构温度应力的数值仿真。进入21世纪后,随着科技的发展和计算机的普及,有限元仿真软件愈加成熟,模拟效果也越来越接近真实情况,实际工程复杂环境中的大体积混凝土早期精细化模拟仿真变成可能,在进行大体沪苏湖铁路青浦特大桥大体积混凝土施工裂缝控制关键技术研究文秦 鹏(中铁十四局第二工程局有限公司,昌九项目部工程部长,工程师)大体积混凝土裂缝控制关键技术YAN XUE 丨 研 学积混凝土的温度场及温度应力研究分析时使用有限
3、元分析软件如ABAQUS、ANSYS、MIDAS fea等就十分方便,可以节约大量的计算时间,并可以根据仿真计算结果提出针对不同工程的温控防裂措施。同时,推动有限元技术的发展,使得混凝土裂纹扩展的描述更为直观和精确,为大体积混凝土开裂研究提供手段。随着我国桥梁工程建设规模的不断扩大,大体积混凝土抗裂的研究也延伸到桥梁大体积混凝土构件中,由于每个工程都具有其独特性,在研究过程中针对具体的材料、边界条件等参数需结合具体工程的实际条件进行选取。本项目基于上述较为成熟的方法和手段开展研究工作。一、工程概况沪苏湖铁路青浦特大桥跨太浦河(112+224+112)m 预应力混凝土连续梁拱组合桥,桥梁全宽14
4、.20m,中支点处(拱脚处)局部加宽为17.10m。主梁为单箱双室变高度箱形结构,跨中截面梁高5.50m。中支点处梁高13m。主拱为钢管混凝土结构,计算跨度L=224m,设计矢高f=44.80m,矢跨比f/L=15,拱轴为二次抛物线。0#块混凝土强度等级为C55,拟采用的配合比见表1。表1 0#块C55混凝土配合比(单位:kg/m3)水泥粉煤灰细骨料粗骨料水减水剂水胶比4207468311141535.930.320#块总长25m,中部17m范围内宽度17.10m,两侧渐变为14.20m,总高13m,横隔板设3m高过人洞,详细结构尺寸如图1所示。(a)立面 (b)顶平面 (c)纵剖面 (d)水
5、平剖面 (e)中心截面图1 0#块结构尺寸(单位:cm)广 西 城 镇 建 设 GUANGXI CHENGZHEN JIANSHE2023/7 总第 248 期丨二、0#块早期抗裂仿真分析(一)主要温控指标和拟采取的措施关于大体积混凝土结构施工过程中的控制指标,有相关规范做出了规定。(1)大体积混凝土施工标准(GB 504962018)第3.0.4条规定大体积混凝土里表温差不宜大于25。(2)铁路混凝土工程施工质量验收标准(TB 104242018)第6.4.4条规定凝土的入模温度不宜高于30。(3)铁路混凝土工程施工质量验收标准(TB 104242018)第6.4.8条规定混凝土内部最高温度
6、不宜超过60,不应大于65。0#块一次性浇筑,并选择预埋冷却水管作为0#块主要的温控措施。(二)0#块早期抗裂仿真分析方法利用通用有限元程序ABAQUS及其子程序建立分析模型,通过对0#块原材料配比、结构尺寸、施工工艺、约束条件和服役环境的模拟并结合子程序定义混凝土生热和收缩,实现0#块在热场、流场、固体和大气环境的多因素影响下温度场、应力场和早期开裂可能性的模拟分析。图2为模拟过程,分为两步计算,首先基于三维8节点六面体热传导单元DC3D8建立0#块热交换模型,通过子程序HETVAL模拟混凝土水化热放热,计算0#块温度场,将模拟的温度场数值解与实测温度进行对比以确保模型的正确性;再将网格类型
7、设为C3D8(ABAQUS中三维8节点六面体应力计算单元),利用混凝土性能试验测得的数据结合子程序USDFLD模拟混凝土抗拉强度和弹性模量的早期时变效应,通过子程序UEXPAN模拟混凝土早期膨胀收缩,在计算得出的温度场的基础上计算0#块应力场。图3为0#块水化热效应分析建模步骤和要点。图2 0#块水化热效应有限元仿真过程图3 0#块水化热效应分析建模步骤和要点YAN XUE 丨 研 学(三)仿真模型的建立与主要参数仿真方法模拟大体积混凝土0#块的早期温度场和应力场,研究不同因素对混凝土内部最高温度、混凝土最大里表温差和混凝土表面最大主拉应力的影响。首先,建立限元仿真模型,根据设计图纸,基于前述
8、的分析软件和单元,建立0#块模型。再设置温度场仿真理论和主要参数,利用子程序HETVAL实现水泥水化热的模拟。本报告根据朱伯芳院士的研究成果选用了复合指数式来计算0#块早期水化热的生热。本模拟过程还需要设置环境温度和混凝土入模温度,环境温度取项目地点历史气温并通过ABAQUS的幅值功能进行模拟。其次,接着设置应力场仿真理论和主要参数,结合子程序UEXPAN模拟收缩应力,模拟过程为由水化程度计算模型湿度场,随后由湿度场参数计算混凝土湿度下降期的收缩应力,再加上湿度饱和期的收缩应力即得到混凝土总的收缩应力。对0#块应力场的模拟分析还需要确定混凝土抗拉强度和弹性模量。结合子程序USDFLD设置一组随
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