混凝土桥台水化热仿真分析与裂缝处理

摘 要：【目的】针对混凝土桥台台身在施工期间产生竖向裂缝的问题，对该桥台温度场与应力场进行数值模拟。【方法】通过Midas FEA NX软件，对台身混凝土内外部温度、应力进行了水化热仿真分析。【结果】分析结果表明：台身混凝土内外部温差较大，台身混凝土外部拉应力超出了实测抗拉强度（72～336 h）；将温度场、应力场分析结果与该桥台台身实际裂缝情况进行对比分析，找出了桥台台身开裂原因；将实测裂缝情况与仿真模拟结果对比分析，发现Midas FEA NX软件可有效分析混凝土水化热温度、应力变化情况。【结论】结合该桥台台身裂缝情况与仿真分析结果，对该桥台台身的裂缝提出了相应的处置建议，并在裂缝处理完成约半年之后对裂缝进行了复查，发现其表面稳定，未有扩展现象。

关键词：混凝土桥台；大体积混凝土；混凝土水化热

中图分类号：U44      文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2023）08-0057-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.08.011

Simulation Analysis of Hydration Heat of Concrete Abutment and Crack Treatment

ZHANG Zhi

（Local Highway Management Section of Xinping County， Yuxi City， Yunnan Province， Yuxi 653499， China）

Abstract：[Purposes] In order to analyze the problem of vertical cracks in the concrete abutment body during construction， the temperature and stress fields of the abutment were numerically simulated. [Methods] The hydration heat simulation analysis of the internal and external temperature and stress of the abutment body concrete was conducted through Midas FEA NX software. [Findings] The analysis results show that the temperature difference between the inside and outside of the abutment concrete is large， and the external tensile stress of the abutment concrete exceeds the measured tensile strength （72～336 h）; The analysis results of temperature field， stress field and the actual cracks of the abutment body are analyzed to find out the reasons for the cracks of the abutment body; by comparing the measured cracks with the simulation results， it is found that the Midas/FEA NX can effectively analyze the temperature and stress changes of concrete hydration heat. [Conclusions] Combined with the cracks of the abutment body and the simulation analysis results， the corresponding disposal suggestions are put forward for the cracks of the abutment body. About half a year after the crack treatment， the cracks are rechecked， and the surface of the cracks is stable without expansion.

Keywords：concrete abutment; mass concrete; hydration heat of concrete

0 引言

重力式橋台依靠自身重量来平衡外力保持稳定，适用于地基良好的桥梁。在目前的施工中，通常采用混凝土浇筑基础和台身，此施工方式可节约钢筋，便于就地取材，在桥梁工程中得到了广泛应用［1］。混凝土重力式桥台虽然具有诸多优点，但其截面尺寸较大，施工过程中混凝土的水化热作用明显，加上混凝土收缩、环境温湿度变化等因素的影响，容易出现裂缝［2］。

本研究以某台身开裂的混凝土重力式桥台为依托，对台身裂缝情况进行了调查分析，并且采用有限元分析方法，对台身浇筑时的温度场、应力场进行仿真模拟，分析其对台身开裂的影响，并提出相应的处理措施，为同类型的工程事故处理提供参考。

1 工程背景

新河桥0#桥台为重力式一字型桥台、承台接钻孔灌注桩基础。桥台长L=56.56 m，承台厚2.0 m， 桩间距均为 6.0 m，桩径为 1.6 m，桥台前排桩长为40 m，后排桩长为35 m。台身高为4.0 m，台身浇筑时分成上、下两模浇筑。台身第一模浇筑日期为7月14日，第二模浇筑日期为8月3日。台身第二模浇筑完成后，施工单位发现台身前墙存在2条竖向裂缝，位于桥台长度方向的3L/5与7L/10处。裂缝出现后，为分析裂缝成因，检测单位采用裂缝综合测试仪对裂缝进行了宽度和深度检测，测得的裂缝信息见表1。

2 台身水化热效应仿真模拟

本项目中的台身为梯形截面，上宽1.70 m，下宽3.03 m，高4.00 m，浇筑时分两层浇筑，每层2 m，因尺寸较大，属于大体积混凝土的范畴（单边尺寸≥50 cm）［3］。为了量化分析水化热效应对台身开裂的影响，采用Midas FEA NX通用有限元分析软件进行建模，对台身浇筑过程的水化热效应进行模拟分析。

2.1 计算参数

该台身混凝土的设计强度为C30，水泥为P.O42.5，混凝土配合比见表2。混凝土导热系数与比热容可根据混凝土配合比（见表2）、主要材料的热工性能（见表3）和材料的比热容性能（见表4）按式（1）和（2）计算［4］。计算结果：比热系数为0.949 kJ/（kg·℃）；传导率为9.04 kJ/（m·hr·℃）。

[λ=1pp1λ1+p2λ2+p3λ3+p4λ4+p5λ5] （1）

[C=1pp1C1+p2C2+p3C3+p4C4+p5C5] （2）

式中：[λ]为比热系数；[C]为传导率；[p]、[p1]、[p2]、[p3]、[p4]、[p5]分别为混凝土、水泥、砂、石、水、粉煤灰的质量占比；[λ1、λ2、λ3、λ4、λ5]分别为混凝土、水泥、砂、石、水的热传导系数，m/K；[C1]、[C2]、[C3]、[C4]、[C5]分别为混凝土、水泥、砂、石子、水、粉煤灰的导热系数，kJ/（kg ·K）。

《建筑施工计算手册》［5］给出了混凝土绝热与升温的计算公式如式（3）、式（4），即先得到粉煤灰的密度参量，根据规范取值水化热的调整系数［8］，算出每千克水泥水化热总量，最后得到混凝土绝热温升值，计算结果见表5。

[T=mcQCρ] （3）

[Tt=mcQCρ1-e-mt] （4）

式中：[T（t）]为混凝土的绝热温升值；[mc]为每立方米混凝土水泥用量，kg/[m3]；Q为每千克水泥水化热量，J/Kg；C为混凝土比热容，根据规范［5］一般取0.96 kJ/kg·K；[ρ]为混凝土的质量密度，根据规范［6］本研究取2 400 kg/[m3]；e为常数2.718；m为反应速度系数，根据经验取值，根据规范［7］，本研究取值0.015 0；T为绝热温升起值。

根据该项目施工工期及经验，确定混凝土入模温度为20 ℃，环境温度为20 ℃。承台所处的地区风速为2 m/s，在实际施工过程中，承台表面覆盖有木模板，其导热系数为 0.14 kJ/m·℃，厚度为0.02 m。承台表面覆盖有模板等材料后，按经验公式计算得到台身表面的边界对流系数为6.91 kJ/（m2·h·℃）。

利用有限元软件Midas FEA NX对该承台的水化热效应进行建模分析，有限元模型如图1所示。

2.2 温度分析结果

对桥台台身混凝土进行了温度场分析，结果如图2至图4所示。由温度云图可知，混凝土浇筑后，桥台台身结构中心部分的温度比表层混凝土温度高，台身中部混凝土温度比两端混凝土温度高。混凝土浇筑120 h 后台身纵向3L/5、7L/10处中心温度达到最高值69.752 ℃、69.673 ℃；在混凝土浇筑后160 h，3L/5、7L/10处内外部温度差达到最高值28.882 ℃、26.707 ℃，已超过《公路桥涵施工技术规范》（JTG/TF 50—2011）［7］中“大体积混凝土的养护温差不宜超过 25 ℃”的规定。

该模型考虑了模板对混凝土表面散热的影响，混凝土内部升温在120 h达到峰值，混凝土表面升温较大且高于环境温度，温度上升最高为49.752 ℃，基本满足《公路桥涵施工技术规范》（JTG /T F50—2011）中的“大体积混凝土浇筑体在入模温度基础上的温升值不宜大于50 ℃”的规定。

2.3 应力分析结果

外部混凝土呈受拉状态、内部混凝土则为受压状态，如图5所示。应力分析结果表明，混凝土浇筑初期，桥台前墙出现的较大拉应力为1.75 MPa，混凝土浇筑120 h后拉应力值达到峰值2.73 MPa。

为了求得混凝土的实际抗拉强度，对C30混凝土实测了3 d、7 d、14 d和28 d的劈裂抗拉强度，实测强度混凝土台身表面应力的比较如图6所示。由图6可知，在72～336 h时间范围内，水化热在表面产生的混凝土拉应力超过了混凝土的实测抗拉强度。

3 裂缝成因分析与处治

3.1 裂缝成因分析

混凝土裂缝从形成原因上可分为受力裂缝和非受力裂缝两大类［8］。受力裂缝是指由荷载作用所产生的裂缝；非受力裂缝是指由于混凝土收缩、温度变形等受到约束所产生的裂缝。从荷载作用的角度来分析，本项目中桥台可能的荷载作用主要有两方面：一是桩基础的不均匀沉降；二是台背土压力的水平力作用。

从力学简化来看，桩基以上的承台、台身和台帽可视为一个沿桥梁横向的弹性支承连续梁，当桩基础产生不均匀沉降时，会在连续梁中产生弯矩和剪力，从而产生弯曲正应力和竖向剪应力，裂缝的形成方向会垂直于主拉应力方向（由弯曲正应力和竖向剪应力合成），裂缝通常呈现斜裂缝的特征，与本项目中裂缝呈竖向的现象不符，因此，本项目桥台裂缝可以排除桩基不均匀沉降的原因。

当台背土压力过大时，将水平挤压台身，使台身向外鼓凸，从而产生竖向裂缝，本项目中台身厚度很大，台身向外鼓凸的可能性不大，即使假定竖向裂缝是由于水平土压力向外挤压所致，裂缝应主要分布于桥台台身靠近1#墩方向一侧，桥台竖向裂缝理应向台帽或台身第一模延伸，而本项目中两条台身竖向裂缝恰好仅仅分布于第二模范围内（2～4 m高度）。因此，本项目桥台裂缝可以排除台背土压力过大的原因。

由2.3节的分析可知，在72～336 h时间范围内，水化热在表面产生的混凝土拉应力超过了混凝土的实测抗拉强度。因此，台身在水化热内外温差作用下产生的表面拉应力，是台身出现竖向裂缝的主要原因。

3.2 裂缝处治效果

通过裂缝检测和成因分析，新河桥0#桥台台身裂缝是由于水泥水化热影响造成的浅表性早期非受力裂缝。由于桥台以竖向受压为主，裂缝对桥台受力的影响可以忽略，但裂缝过宽，可能对耐久性造成影响。

为了减小裂缝对混凝土耐久性的可能影响，采用裂缝修补胶对裂缝进行了灌注处理。裂缝处理完成约半年之后，对裂缝进行了复查，裂缝表面稳定，未有扩展现象，说明裂缝的成因分析和处治措施得当。

4 结语

本研究依托新河桥0#台出现台身竖向裂缝的工程实例，对台身浇筑过程的水化热进行分析，并对裂缝成因进行分析，排除了桩基础不均匀沉降和台背土压力可能性，确定水化热内外温差作用所产生的混凝土表面拉应力是出现台身竖向裂缝的主要原因。根据裂缝成因分析，提出对裂缝进行灌缝处理的方案，处理效果良好。

参考文献：

［1］中交第二公路工程局有限公司. 公路桥梁施工系列手册：墩台与基础（上篇）（精）［M］. 北京：人民交通出版社，2014.

［2］崔容义.大跨度桥梁边墩水化热温度场分析与合理温控措施研究［J］.铁道建筑，2011，449（7）：36-38.

［3］朱伯芳. 大體积混凝土温度应力与温度控制［M］. 北京：中国电力出版社，1999.

［4］王博. 大体积混凝土承台水化热效应及温控措施研究［D］.西安：长安大学，2019.

［5］江正荣. 建筑施工计算手册［M］. 北京：中国建筑工业出版社，2001.

［6］中华人民共和国住房和城乡建设部.大体积混凝土施工标准：GB 50496—2018［S］.北京：中国建筑工业出版社，2018.

［7］中华人民共和国交通运输部. 公路桥涵施工技术规范：JTG/T F50—2011［M］. 北京：人民交通出版社，2011.

［8］黄薇宇. 港口与航道工程大体积混凝土裂缝控制［J］. 新材料新装饰，2022（15）：4.

收稿日期：2023-01-06

作者简介：张智（1987—），男，本科，工程师，研究方向：公路桥梁养护管理。