大跨度橋梁邊墩水化熱溫度場(chǎng)分析與合理溫控措施研究

崔容義

(1.成都鐵路局 工務(wù)處，成都 610082;2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410075)

1 工程背景

某高速鐵路雙塔雙索面鋼桁梁斜拉橋的邊墩，墩高21.0 m，平面尺寸為18.2 m×4.5 m，屬大體積混凝土。大體積混凝土由于水化熱的作用將使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的里表溫差，如不采取有效的溫度控制措施，一旦溫差過高，超過規(guī)范要求，將極有可能導(dǎo)致溫度裂縫的出現(xiàn)，影響到結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性［1-2］。針對(duì)大橋之前某一引橋橋墩曾出現(xiàn)過輕微裂縫，考慮到邊墩更大的空間尺寸及一次澆筑混凝土更多的方量，因此很有必要通過有限元仿真計(jì)算，研究并制定合理的降溫冷卻水管布置方案，并找出其它合理的溫控措施。邊墩結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

圖1 邊墩構(gòu)造圖(單位:cm)

2 有限元模型建立及參數(shù)選取

2.1 模型建立

利用橋梁專業(yè)軟件MIDAS/CIVIL的水化熱計(jì)算模塊，建立邊墩結(jié)構(gòu)的有限元模型，采用8節(jié)點(diǎn)空間等參元熱應(yīng)力實(shí)體單元，單元?jiǎng)澐謺r(shí)盡力保證相鄰單元之間的均勻變化，防止有突變，并在截面突變部位及冷卻管布置部位劃分較細(xì)，以便能更好地分析其溫度變化情況。約束方式采用邊墩底部固結(jié)。有限元計(jì)算模型見圖2所示。

圖2 邊墩空間有限元模型

2.2 有限元模型說明

1)計(jì)算時(shí)取兩種工況進(jìn)行計(jì)算，工況1為澆筑溫度30℃(不設(shè)置冷卻管);工況2為澆筑溫度30℃(設(shè)置預(yù)先設(shè)計(jì)的冷卻管)。

2)根據(jù)水泥水化熱估算公式進(jìn)行計(jì)算，得到282#橋墩C35混凝土絕熱溫升45.5℃。絕熱溫升數(shù)值模型取雙曲線函數(shù) Q(τ)=Q0(1 － e－ατβ)，式中，Q0為最終絕熱溫升;α，β為絕熱溫升變化系數(shù)。

3)橋墩混凝土預(yù)計(jì)2010年6月份開始澆筑，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀缶仲Y料，環(huán)境溫度取36℃。

4)冷卻水的溫度取郁江江水溫度，所提供的溫度值約為25℃，冷卻水的流速設(shè)定為2.5 m3/h。

5)計(jì)算時(shí)考慮徐變對(duì)混凝土應(yīng)力的影響。

6)溫度及熱應(yīng)力計(jì)算自橋墩混凝土澆筑開始，模擬之后1個(gè)月的溫度、應(yīng)力發(fā)展。

本次計(jì)算中所采用的物理特性參數(shù)，如彈性模量、線膨脹系數(shù)、泊松比等根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)取值;相對(duì)密度試驗(yàn)測(cè)得;絕熱溫升通過水化熱試驗(yàn)估算［3］，導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容通過材料組成估算。邊墩冷卻管空間布置示意如圖3。

圖3 邊墩冷卻管空間布置示意

3 主要計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果見圖4和圖6，可以得出，在工況1(未設(shè)置冷卻管)作用下，橋墩混凝土內(nèi)部最大溫度為70.5℃，出現(xiàn)在混凝土澆筑后約168 h。圖5給出了在工況1作用下，橋墩混凝土最大內(nèi)表溫差出現(xiàn)位置的示意圖。圖7為橋墩混凝土內(nèi)表溫差的時(shí)程曲線，由圖中可以看出，橋墩混凝土最大里表溫差發(fā)生在混凝土澆筑后約168 h左右，其值約為27.2℃。

圖4 工況1作用下橋墩混凝土內(nèi)部溫升峰值云圖

圖5 工況1作用下橋墩混凝土最大內(nèi)表溫差示意

圖6 工況1作用下橋墩混凝土內(nèi)部溫升曲線

圖7 工況1作用下橋墩混凝土內(nèi)表溫差時(shí)程曲線

圖8 工況2作用下橋墩混凝土內(nèi)部溫升峰值云圖

圖9 工況2作用下橋墩混凝土最大內(nèi)表溫差示意

由圖8及圖10可知，在工況2(設(shè)置冷卻管)作用下，橋墩混凝土內(nèi)部最大溫度為66.8℃，出現(xiàn)在混凝土澆筑后約144 h;圖9給出了在工況2作用下，橋墩混凝土最大內(nèi)表溫差出現(xiàn)位置的示意圖;圖11為橋墩混凝土里表溫差的時(shí)程曲線，由圖可知，橋墩混凝土最大溫差發(fā)生在混凝土澆筑后約144 h左右，其值約為25.3℃。

綜上所述，根據(jù)水化熱空間有限元分析，在未設(shè)置冷卻水管的情況下，邊墩混凝土內(nèi)部的溫升峰值達(dá)到了70.5℃，最大里表溫差高達(dá)27.2℃，高于規(guī)范《大體積混凝土施工規(guī)范》(GB 50496—2009)［4］的相應(yīng)規(guī)定;設(shè)置冷卻水管之后，通過有限元計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，橋墩的內(nèi)部溫升峰值為66.8℃，最大里表溫差為25.3℃，較未設(shè)置冷卻管時(shí)有所降低，但仍高于規(guī)范(GB 50496—2009)要求的25℃?？梢娡ㄟ^設(shè)置冷卻水管能夠有效地降低混凝土的溫升峰值及里表溫差，但仍然要輔以其它的溫控手段和措施。

主要溫控控制項(xiàng)計(jì)算結(jié)果如表1、圖12、圖13所示。

表1 兩種工況下橋墩主要控制項(xiàng)計(jì)算結(jié)果 ℃

圖10 工況2作用下橋墩混凝土內(nèi)部溫升曲線

圖11 工況2作用下橋墩混凝土內(nèi)表溫差時(shí)程曲線

圖12 橋墩混凝土內(nèi)部中心點(diǎn)溫度時(shí)程對(duì)比曲線

圖13 橋墩混凝土內(nèi)表溫差時(shí)程對(duì)比曲線

4 結(jié)論

混凝土是熱的不良導(dǎo)體，當(dāng)混凝土澆筑后，因水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的水化熱，在新澆筑的混凝土結(jié)構(gòu)中不斷積貯熱量，形成短期的內(nèi)部溫度高、外表面溫度低的水化熱分布狀態(tài)。過大的內(nèi)外溫差將產(chǎn)生水化熱應(yīng)力，有可能使混凝土出現(xiàn)有害的溫度裂縫。而且體積越大，這種溫差越大，對(duì)結(jié)構(gòu)造成的損害也就往往越大。

本工程在具體施工時(shí)，在一次澆筑混凝土的情況下，為避免出現(xiàn)過大的里表溫差，防止因里表溫差過大而導(dǎo)致的橋墩混凝土開裂，采取了以下溫控措施:

1)在施工時(shí)，注意測(cè)量當(dāng)時(shí)氣溫，當(dāng)氣溫高于混凝土入倉(cāng)溫度時(shí)，則加快運(yùn)輸和入倉(cāng)速度，減少混凝土運(yùn)輸和澆筑過程中的溫度回升?；炷凛斔凸芡庥貌荽陉?yáng)，并經(jīng)常灑水。

2)增大冷卻水的通水流量(理論計(jì)算取流速為2.5 m3/h，實(shí)際施工時(shí)基本控制在2.8 m3/h)，為避免冷卻水與周圍混凝土之間過大的溫差，降低了冷卻水的流入溫度(理論計(jì)算時(shí)取流入溫度為25℃，實(shí)際施工時(shí)基本維持在20℃左右)。

3)加強(qiáng)了橋墩混凝土的外部保溫，增加保溫層厚度，如覆蓋一層塑料膜及一層土工布保溫等，并嚴(yán)格控制拆模條件和拆模時(shí)間［5-6］。

4)根據(jù)理論分析的結(jié)果，在混凝土的可能開裂部位，加強(qiáng)了普通鋼筋的布置。

通過對(duì)該橋邊墩大體積混凝土溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的仿真分析，制定了相應(yīng)的溫控方案，目前該邊墩已經(jīng)施工完成，結(jié)構(gòu)整體性能良好，經(jīng)過長(zhǎng)期的觀測(cè)，未發(fā)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)有害的可見溫度裂縫。

［1］朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制［M］.北京:中國(guó)電力出版社，1998.

［2］王鐵夢(mèng).工程結(jié)構(gòu)裂縫控制［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997.

［3］張亮亮，趙亮，袁政強(qiáng)，等.橋墩混凝土水化熱溫度有限元分析［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，30(10):73-76.

［4］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50496-2009 大體積混凝土施工規(guī)范［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2009.

［5］孫衍福，郭治勝，吳大宏.大體積混凝土橋墩裂縫分析整治及建議［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2006，95(5):67-69.

［6］馬宗磊.客運(yùn)專線箱梁混凝土水化熱溫度測(cè)控研究［J］.鐵道建筑，2008(6):4-6.