大体积混凝土结构温度控制及有限元分析

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发布时间：2021-09-09

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大体积混凝土结构温度控制及有限元分析
刘迎倩
(中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司，湖北武汉430034)
摘要：铜陵长江公铁两用大桥主桥为(90+90+210
+630+210+120+90)m七跨连续钢桁梁斜拉桥。该桥3
号、4号墩承台和塔座均为大体积混凝土结构，为避免大体
积混凝土在施工过程中出现裂缝，以4号墩承台、塔座为研
究对象，基于瞬态温度场的计算原理，通过有限元模型对混
凝土施工过程中的温度场进行模拟，计算混凝土的温度～时
间曲线，提出切实有效的温度控制措施。分析结果表明：采
取适当的温控措施(如水管冷却等)可有效降低混凝土内部
最高温度和内外温差，控制温度应力和温度裂缝。
关键词：铜陵长江公铁两用大桥；大体积混凝土；温度
应力；裂缝；控制；有限元法
1 引言
随着桥梁建设的快速发展，大跨径桥梁越来越
多，大体积混凝土结构在桥梁工程中的应用也越来
越广泛，如桥墩、承台、基础、锚碇等都属于大体积混
凝土结构。由于大体积混凝土结构的截面尺寸较
大，所以由外荷载引起裂缝的可能性很小，但水泥在
水化反应过程中释放的水化热所产生的温度变化和
混凝土收缩的共同作用，会产生较大的温度应力和
收缩应力，从而导致混凝土结构出现裂缝。这些裂
缝会对结构造成危害，影响结构的整体性和耐久性。
因此，温度应力与温度裂缝的控制是大体积混凝土
施工控制中的一个重要问题。
本文以铜陵长江公铁两用大桥为背景，基于瞬
态温度场计算原理，采用有限元法进行大体积混凝
土结构裂缝控制研究。
2 温度场计算原理
混凝土温度场的计算与求解实际上是一个热学
问题口3。分析大体积混凝土温度场，需要根据当地
气候条件、施工方法及混凝土的热学特性，按热传导
原理进行计算。
混凝土浇筑完成后，在水泥水化热作用下可看
成有内部热源强度且具有瞬态温度场的连续介质，
其瞬态温度场的计算实质上是三维非稳态热传导方
程在特定初始条件和边界条件下的求解。
2．1 热传导方程
在固体的热传导中，热流量q(单位时间内通过
单位面积的流量)与温度梯度aT／ax成正比，但热
流方向与温度梯度方向相反|2]，再根据昆凝土在绝
热条件下由于水化热作用引起温度上升，可得出混
凝土的热传导方程为
aT f a。T I a T l 3 T】l a ／1、
ar一“I 3x 。3y 。3z。I。8t
一2／cp (2)
式中，丁为温度(℃)；r为时间(h)；为混凝土的绝
热温升(℃)；以为导温系数(m。／h)；2为混凝土的导
热系数(w／m·℃)；f为混凝土的比热(kJ／ ·oC)；
p为昆凝土的质量密度(kg／m。)。
2．2 初始条件和边界条件
热传导方程建立了温度与时间、空间的关系，为
了确定温度场，还必须知道初始条件和边界条件。
初始条件为在初始瞬时混凝土内部的温度分布规
律，边界条件为混凝土表面与周围介质(如空气和
水)之间温度相互作用的规律。
在初始瞬时，温度是坐标(z，Y，z)的已知函数
(Lz，Y，z)，即当r一0时
T(z，Y，，O)一To(z，Y，z) (3)
在很多情况下，可视初始瞬时温度为混凝土的
浇筑温度，即为常数T0。
边界条件可由以下4种方式给出l2]：① 第一类
边界条件。混凝土表面温度T是时间的已知函数，
即T(r)一厂(r)。② 第二类边界条件。混凝土表面
的热流量是时间的已知函数，即-23丁／r7 一厂(r)，
式中，为表面外法线方向。③ 第三类边界条件。
当混凝土与空气接触时，假定经过混凝土表面的热