混凝土与水泥制品
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  • 文章内容

桥墩大体积混凝土水化热试验研究及数值模拟

作者:刘国星,黄永辉,万 洋    单位:广州大学-淡江大学工程结构灾害与控制联合研究中心,510006

关键词:大体积混凝土;水化热;试验研究;数值模拟;冷管系统;早强混凝土

摘  要:以广州某大桥节段模型试验为背景,在其桥墩浇筑过程中实测了内部水化热温度场的变化规律,并采用Midas软件对该桥墩混凝土浇筑过程中的水化热温度场进行了有限元仿真,通过仿真结果与实测结果的对比验证了有限元模型的正确性。通过有限元模拟研究了早强混凝土和普通混凝土的水化热温度场差异性以及普通混凝土相比于早强混凝土到达温度峰值时间滞后性的一般规律;并研究了设置冷管循环对大体积混凝土温度场的影响,结果表明,在早强混凝土中设置冷管循环能有效降低大体积混凝土的水化热温度。

 0   前言

  目前,许多大型工程施工中应用了大体积混凝土。为了加速施工进度,很多大型桥梁的桥墩采用了早强混凝土,但由于水泥水化反应速率较快,混凝土浇筑完成之后,混凝土核心位置的温度将很快达到顶峰,巨大的温差使得混凝土的内部和表面形成贯穿裂缝[1]。美国混凝土学会(ACI)[2]和GB 50496—2009《大体积混凝土施工规范》[3]均规定:对于大体积混凝土,必须解决其水化热及其引起的变形和温度裂缝问题。
  20世纪30年代初,美国垦务局设计了胡佛大坝并提出了人工冷却混凝土大坝的措施和方法[4];加州大学教授Wilson将有限元法最早应用于大体积混凝土,用有限元程序模拟了大体积混凝土结构温度场试验,成功地解决了Dworshak坝的温度场计算[5];Matsmborg 等基于大量试验研究,提出了非线性黏弹性、黏塑性理论、应变软化理论模型分析混凝土的早期温度应力和温度裂缝[6]
  我国在20世纪50年代开始研究大体积混凝土水化热问题[7]。朱伯芳院士在对大量混凝土试验研究和理论推导分析的基础上,提出了在各种初始条件下,各种边界下和各类混凝土结构的温度场与温度应力分析方法[4,8],同时结合模拟冷却水管的大体积混凝土水化热,提出了相应的热传导方程,并给出了相应的复合热传导方程算法,为管冷的精确解奠定了理论基础[9-11];王铁梦在对大量混凝土实测资料进行综合分析的基础上,总结了各种混凝土的温度上升和最大温度上升的规律[12];朱岳明提出了并行计算子结构算法来解决有限元因更高精度而导致的计算规模过大的问题[13-15]
  综上所述,虽然国内外对混凝土的水化热温度场进行了大量的研究,但大多数研究都是基于数值模拟的研究,缺乏相应的试验验证,且缺乏对不同类型混凝土的热温度场进行了比较。因此,本文在现有研究的基础上,以某大跨度拱桥桥墩大体积混凝土为研究对象,在该拱桥桥墩节段试验模型的浇筑过程中实测了桥墩的温度分布。根据温度场和水化热理论,利用Midas软件模拟了水化热的温度场。通过对实测有限元数值模拟结果的比较,得到了大体积混凝土水化热的一般规律,并提出了减少水化热的冷却措施。
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