考虑钢筋作用的大体积混凝土水化热分析
时间：2021-01-28 22:06:16 来源：达达文档网 本文已影响 人 
杨虎
摘要：为了控制某承台大体积混凝土浇筑质量，考虑钢筋作用，利用Midas/FEA对承台施工进行有限元分析。结果表明：考虑钢筋的影响，承台养护期温度更加均匀，温度应力也较小。因此在分析承台大体积混凝土水化热问题时，考虑钢筋的有利影响是有必要的。
Abstract：
In order to control the mass concrete pouring quality of a bearing platform， the finite element analysis of Midas/FEA was carried out for the construction of the bearing platform considering the effect of steel reinforcement. The results show that the temperature is more uniform and the temperature stress is smaller when the influence of steel reinforcement is taken into account. Therefore， it is necessary to consider the beneficial effect of steel reinforcement when analyzing the hydration heat problem of mass concrete bearing platform.
關键词：大体积混凝土;水化热;钢筋;有限元
Key words：
mass concrete;the hydration heat;reinforced;the finite element
中图分类号：TU528.36 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2020）25-0144-02
0 引言
随着桥梁向着大跨度方向发展，大体积混凝土被广泛运用于桥梁的承台[1]。大体积混凝土浇筑后，水泥水化热反应放出大量热量，使承台内部温度快速升高。结构内部水化热积聚不易散发，外部则散热较快，由于内外温差过大，导致混凝土过早开裂[2]。钢筋和混凝土两种材料的力学性能和热学性能都相差较大，混凝土配置钢筋后，将直接影响混凝土结构浇筑后的温度场和温度应力[3]。因此在承台大体积混凝土水化热分析中考虑普通钢筋的影响是有必要的。
1 工程概况
某大跨连续刚构桥承台的结构尺寸为16m×10m×3m，承台混凝土方量为480m3，混凝土设计强度为C40，配合比为：每立方混凝土中水泥含量200kg，水150kg，碎石1120kg，砂780kg，粉煤灰110kg，矿粉90kg，减水剂4.5kg。
承台内部布置冷却水管，冷却水管采用直径27mm，壁厚3mm的钢管，冷管水平间距和竖向间距均为1m，到承台边缘距离均为0.5m。承台一次性浇筑完成。
2 建立有限元模型
传统承台大体积混凝土水化热分析，按照素混凝土进行建模计算，未考虑普通钢筋的影响。为了得到承台浇筑后温度及应力的变化规律，以及钢筋对结构温度场及温度应力的影响[4]。笔者利用Midas/FEA建立两个承台有限元模型，一个考虑普通钢筋的作用，一个按照传统建立素混凝土有限元模型，做对比分析。
2.1 有限元模型
地基平面尺寸取承台外边线加宽3m，厚度为3m，承台为对称结构，取承台1/4，建立有限元模型。
承台和地基用六面体单元模拟，承台单元尺寸在0.25m左右，地基单元尺寸在0.6m左右。普通钢筋采用桁架单元模拟，单元尺寸在0.25m左右。钢筋单元与承台混凝土单元共用节点[5]。有限元模型共计19299个节点，43276个桁架单元，18060个实体单元。同时建立一个传统素混凝土有限元模型做对比分析。承台仿真模型及冷却水管布置如图1所示，钢筋骨架如图2所示。
2.2 计算参数
承台混凝土计算参数如下：比热容取0.25kcal/（kg·℃），热传导率2.3kcal/（m·h·℃），密度取2455kg/m3，热膨胀系数取1.0e-05，泊松比取0.2。
地基的计算参数如下：其比热容取0.2kcal/（kg·℃），热传导率取1.7kcal/（m·h·℃），密度取1800kg/m3，热膨胀系数取1.0e-05，泊松比取0.2。
钢筋采用HRB400，钢筋计算参数如下：比热容取0.46J/（kg·℃），钢筋热传导率取376kJ/（m·h·℃），密度取7698kg/m3，热膨胀系数取1.2e-05，泊松比取0.3。
2.3 边界设置
地基底面及侧面约束三个方向的平动自由度，地基及承台剖面分别约束对应方向平动自由度。承台在夏季浇筑，环境温度取20℃，地基底面及侧面温度固定取15℃。地基顶面及承台侧面放热系数取12kcal/（m2·h·℃），承台上表面采用草袋覆盖保温，洒水养护，放热系数取4kcal/（m2·hA·℃）。
2.4 管冷与热源函数
水流入温度取15℃，流量1.2m3/h，比热取1kcal/（kg·℃）。冷却水管直径27mm，对流系数取320kcal/（m2·h·℃）。
热源函数采用指数形式，Q（t）=K·（1-e-rt）。式中：Q（t）为龄期为t時的绝热温升，K为最大绝热温升取35℃，r为导温系数取0.724，热源函数如图3所示。
3 有限元分析结果
为了得到普通钢筋对承台水化热效应的影响规律，取承台中心点和表面为分析点分析其温度及温度应力随时间的变化规律。承台中心温度对比如图4所示。
由图4可知，考虑普通钢筋作用承台中心点温度比未考虑钢筋影响时要小，最大差值为5℃发生在承台浇筑后144h。承台浇筑后养护前期和后期钢筋对温度场影响较小，养护中期影响较大。
承台表面温度应力对比图如图5所示。
由图5可知，考虑普通钢筋作用承台表面温度应力比未考虑钢筋影响时要小，最大差值为0.41MPa发生在承台浇筑后144h。承台浇筑后养护前期和后期钢筋对温度应力影响较小，养护中期影响较大。
4 结论
①在分析承台大体积混凝土水化热问题时，钢筋可减小混凝土结构的比热，增大混凝土结构的导热性能。使承台结构内外温差降低，进而减小承台结构温度应力。
②普通钢筋对承台浇筑后养护期温度场及温度应力的影响：其影响是有利的，在浇筑后养护前期和后期影响较小，浇筑后养护中期影响较大。
③考虑钢筋作用可增加承台结构的抗裂性能，提高承台混凝土浇筑质量。
参考文献：
[1]冯练，秦鸿佩.承台大体积混凝土水化热数值模拟[J].四川建筑，2019，39（03）：254-257.
[2]王博，程观奇.考虑管冷及保温的大体积混凝土水化热分析[J].市政技术，2019，37（02）：231-233，241.
[3]刘晓涛，张志文.大体积混凝土水化热温度应力分析[J].工程建设与设计，2017，07（02）：156-158，161.
[4]陈长华.考虑钢筋作用的水工结构施工期温度场与温度应力分析[D].南京：河海大学，2006.
[5]王辉.RC梁桥裂缝宽度计算方法研究[D].天津：河北工业大学，2014.
