大体积混凝土论文港珠澳大桥大体积混凝土配合比设计与有限元分析Word文档格式.docx

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表2-1基准配合比及力学性能

强度等级

配合比（kg/m3）性能

水

水泥

粉煤灰

砂

碎石外加剂塌落度（mm）7d28d

C45

150

320

140

780

10605.02104158

C50

145

360

120

770

10505.32204761

由表2-1的试验结果表明，采用密实骨架法设计的单掺粉煤灰混凝土的工作性能和力学性能均满足设计要求，但为了降低大体积混凝土的水化温升，减小内外温差，需要通过掺加矿粉替代水泥进行配合比优化。

1.3配合比优化调整

采用矿粉取代部分水泥，对密实骨架堆积法设计的混凝土配合比进行了优化调整，得到承台大体积C45混凝土配合比见表2-2所示：

表2-2承台C45混凝土配合比

编号

原材料用量（kg/m3）

塌落度（mm）

强度（MPa）

泥

粉

煤

灰

矿

砂

碎

石

外

加

剂

0h

1h

7d

28d60d

A1

190

130

1060

5.06

220

200

39.9

56.160.8

A2

210

5.25

134

195

40.2

56.861.6

由表2-2可以看出以上两组混凝土的工作性能和力学性能均满足C45混凝土的设计和施工要求，但A1水泥用量相对较低，温升相对也低，因此采用A1配合比进行施工。

表2-3墩身和帽梁C50混凝土配合比

28d

B

230

1050

5.28

47.6

59.3

由表2-3可以看出优化后的C50配合比大大减少了水泥用量，工作性能和力学性能都满足设计和施工要求。

2.4混凝土长期性能和耐久性能

2.4.1抗裂性能研究

使用笠井芳夫提出的混凝土（砂浆）早期抗裂性测试方法，测得结果如下：

表2-4混凝土早期平板开裂观测结果

初裂时间/h

裂缝最大宽度/mm

裂缝平均开裂面积/mm2

单位面积裂缝数目/根·

m-2

单位面积的总开裂面积/mm2

评定等级

A1（C45）

6.0

0.15

1.55

114

137.6

Ⅲ

B（C50）

6.7

0.14

1.57

102

121.8

由表2-4中可以看出所设计的配合比的抗裂等级均达到Ⅲ级。

2.4.2抗渗性能

采用RCM法测定混凝土中Cl−快速迁移的扩散系数，定量评价混凝土抗Cl−的扩散能力。

表2-5Cl−扩散系数试验结果

配合比编号

Cl−扩散系数（×

10−12m2/s）

56d

2.8

1.5

2.3

1.0

从表中看出，C45和C50混凝土的28dCl−扩散系数为（2.0-3.5）×

10-12m2/s，56dCl−扩散系数为（1.0-2.0）×

10-12m2/s，均达到设计要求。

2.4.3抗冻性能

本试验参照普通混凝土抗冻性能试验，采用慢冻法，对所设计的C45和C50混凝土配合比进行抗冻试验，试验结果见表2-6、2-7。

表2-6承台C45混凝土抗冻试验结果

检测项目

200次循环

300次循环

1

2

3

标准养护强度（MPa）

55.8

56.4

55.6

55.1

56.7

冻融循环后强度（MPa）

48.9

50.5

49.1

45.5

45.4

47.4

强度损失（％）

12.4

10.4

11.7

17.4

18.6

16.4

质量损失（％）

1.4

1.8

3.5

3.1

3.4

抗冻标号

F300

试件外观

完整、无脱落碎块

表2-7墩身C50混凝土抗冻试验结果

59.8

60.1

60.3

61.2

60.5

61.3

55.2

56.1

53.9

51.6

51.8

52.1

7.7

10.6

15.7

14.4

15.0

1.1

0.8

2.2

3.0

2.7

由表2-6、2-7可以看出，试件经受200、300次循环后，其强度损失率均小于25％（标准规定），质量损失较小，混凝土具有较高的抗冻融性能，所设计的C45和C50混凝土抗冻标号均大于F300。

2.4.4抗硫酸盐侵蚀

本试验采用《混凝土长期性能和耐久性能试验方法（GB/T50082-2009）》，检测其抗压强度，结果见表2-8。

表2-8混凝土抗硫酸盐侵蚀试验

抗压强度/MPa

抗蚀等级

对比件

150干湿循环硫酸盐侵蚀件

55.4

44.6

≥KS150

B（C50）

3港珠澳大桥大体积混凝土有限元分析

承台混凝土强度等级为C45，墩身部位混凝土强度等级为C50。

浇筑工作量大，按照承台、墩身的结构尺寸，考虑温控及施工需要，参考设计图纸，承台连同2m高的墩身一同浇筑。

采用ANASYS进行建模及大体积混凝土温度计算，模型见图3-1。

图3-1港珠澳承台及墩身有限元分析模型图

3.1大体积混凝土温度计算结果

3.1.1取消冷却水管施工方案

图3-2第3天水化热温度云图（单位：

℃）图3-3第7天水化热温度云图（单位：

℃）

图3-4第28天水化热温度云图（单位：

3.1.2预埋冷却水管施工方案

图3-5第3天水化热温度云图（单位：

℃）图3-6第7天水化热温度云图（单位：

图3-7第28天水化热温度云图（单位：

通过温度分析，大体积混凝土结构最高温度、最大温差见表3-1。

表3-1大体积混凝土温度分析结果（℃）

施工方案

最高温度

最大温差

取消冷却水管

73.5

33.8

预埋冷却水管

68.9

23.9

3.2大体积混凝土应力计算结果

3.2.1取消冷却水管施工方案

图3-8第3天温度应力云图（单位：

MPa）图3-9第7天温度应力云图（单位：

MPa）

图3-10第28天温度应力云图（单位：

3.2.2预埋冷却水管施工方案

图3-11第3天温度应力云图（单位：

MPa）图3-12第7天温度应力云图（单位：

图3-13第28天温度应力云图（单位：

通过温度应力分析，大体积混凝土最大主应力见表3-2。

表3-2大体积混凝土最大主应力表（MPa）

第3天

第7天

第28天

0.83

1.26

2.04

对C45和C50混凝土试块进行标准养护，各龄期的劈裂抗拉强度见表3-3

表3-3大体积混凝土劈裂抗拉强度（MPa）

混凝土强度等级

龄期（d）

7

28

1.9

4.6

2.5

3.9

5.1

由表3-2、3-3可知，承台、帽梁混凝土各龄期的抗拉强度均大于相同龄期下的最大主应力，具有较高的安全系数。

所以通冷却水进行温控，可避免温度裂缝的产生。

4.结论

对港珠澳大桥大体积混凝土配合比进行密实骨架堆积法设计，混凝土的力学性能和工作性均达到了设计和施工要求，墩身和承台混凝土的抗裂等级均达到Ⅲ级，抗冻性能标号均大于F300，抗硫酸盐侵蚀等级均≥KS150，承台C45混凝土的28d和56d的Cl−扩散系数（×

10−12m2/s）为2.8和1.5，墩身C50混凝土28d和56d的Cl−扩散系数（×

10−12m2/s）为2.3和1.0。

对大体积混凝土进行有限元分析，采用ANASYS建模，对比计算取消冷却水管和预埋冷却水管两种施工方法的混凝土温度和温度应力变化。

结果显示，在取消冷却水管的情况下，由于一次性浇筑方量较大，承台部分最高温度达到72.2℃，内外温差为31.1℃，墩身部分最高温度达到73.5℃，内外温差为33.8℃。

在预埋冷却水管的情况下，承台部分最高温度为65.9℃，内外温差为22.3℃，墩身部分最高温度为68.9℃，内外温差为23.9℃。

预埋冷却水管施工时温度应力小于混凝土同龄期下的劈裂抗拉强度，混凝土不会产生温度裂纹，具有较高的安全系数，故采用预埋冷却水管方式进行施工。

同时根据温度应力分析结果，混凝土内部温度应力均小于同龄期下的混凝土劈裂抗拉强度，具有较高的抗裂安全系数。