某桥承台混凝土水化热有限元分析

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发布时间：2021-10-09

资料介绍

混凝土中的水泥 (矿粉、粉煤灰 )等材料水化反
应时放出的热量会导致混凝土温度升高，但由于内、外部热
量扩散速度不同、外部约束条件的存在以及混凝土弹性模量
随着龄期增长等因素导致混凝土产生温度应力。以某桥承
台为例，对承台混凝土水化热进行有限元模拟分析，求解出
承台混凝土施工期间的温度场及应力场，并根据应力分布特
点制定有针对性的温度控制和温度裂缝预防措施，取得了良
好的效果。
关键词：水化热；承台；温度场；应力场；有限元法
1 概述
混凝土水化热是指混凝土中的水泥(矿粉、粉煤
灰 )等材料水化反应时放出热量，从而导致混凝土温
度升高的一种工程现象。当混凝土升温时，体积将
受热膨胀，反之将收缩。如果混凝土的膨胀或收缩
不受任何限制，那么在混凝土内，将不产生任何应
力。在实际施工过程中，混凝土必须浇筑在地基或
老混凝土上，混凝土的温度变形受到约束作用而产
生温度应力。在混凝土内部，先后浇筑的时间不同、
散热条件不同等原因导致混凝土内部温度场呈非线
性分布，出现变形不一致的现象，因而在混凝土内部
也将产生温度应力。
由于混凝土的弹性模量是随着混凝土的龄期增
长呈非线性增长，所以早期温度升高和后期温度降
低，即使在同等温差条件下，所产生的应力也是不同
的。当混凝土的温度应力大于混凝土相应龄期的抗
拉强度时，混凝土将会出现裂缝。此外，由于混凝土
内、外部散热条件不同将导致其内外部之间存在温
度梯度，使得混凝土的内部和外表面之间产生约束
应力，最终也可能导致大体积混凝土开裂。在进行
混凝土水化热分析时，需要根据结构的施工过程、气
候条件、混凝土的热学性能按热传导原理求出温度
场后，再由温度场分布情况、混凝土结构约束条件以
及混凝土性能参数 (如弹性模量、线膨胀系数等)得
出混凝土构件应力场分布。
2 承台水化热模拟计算
由于大体积混凝土温度应力场随着混凝土温
度、弹性模量以及内外部约束条件的不断变化而变
化，另外，混凝土的早期徐变特性会造成温度应力的
很大松弛，这在温度应力计算中也是不能忽略的。
因此，为对大体积混凝土水化热的温度场及应力场
进行有效分析，通常可采用有限元软件进行模拟计
算。下面以某桥承台施工为例，运用 MIDAS进行
水化热模拟计算。
2．1 承台参数
某桥承台平面为哑铃形，两端为 13．2 m(长)×
13．2 m(宽)×4 m(高)的矩形，中间段为 8．2 m(长)
×5 m(宽)×4 m(高)的系梁，系梁与两边承台之间
垂直连接，如图 1所示。承台采用 C30混凝土，配
合比见表 1。
2．2 热工参数计算
在进行水化热分析时，所需要计算的热