特大橋承臺(tái)大體積混凝土溫控分析

鄧珊

［摘 要］本文運(yùn)用三維有限元軟件MIDAS/FEA，對(duì)某特大橋承臺(tái)大體積混凝土水化熱進(jìn)行了仿真分析。建模綜合考慮了冷卻管布置、邊界條件以及施工單位提供的施工步驟、橋址施工季節(jié)氣溫等參數(shù)，以期準(zhǔn)確模擬承臺(tái)在既定條件下的水化熱過(guò)程，獲得準(zhǔn)確的水化熱三維溫度場(chǎng)有限元分析結(jié)果，準(zhǔn)確指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工混凝土配比及后期溫控工作。實(shí)際效果表明，優(yōu)化后的溫控方案有良好的的適用性，取得了理想的溫控效果。

［關(guān)鍵詞］大體積混凝土；有限元；水化熱；溫度場(chǎng)；溫控

［中圖分類號(hào)］TU7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著我國(guó)橋梁技術(shù)的高速發(fā)展，越來(lái)越多的大跨徑橋梁工程得以實(shí)施，與之配套的，橋梁也越來(lái)越多地使用大體積混凝土構(gòu)件，大體積混凝土在澆筑過(guò)程中不可避免地會(huì)有溫控防裂的要求。為此，大體積混凝土水化熱分析及溫控措施成為業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的焦點(diǎn)。已有不少?gòu)臉I(yè)人員對(duì)冷卻水的冷卻效果［1］、澆筑材料溫度對(duì)水化熱的影響［2］、混凝土澆筑期間內(nèi)表溫度控制、施工期后的養(yǎng)護(hù)溫度控制及養(yǎng)護(hù)時(shí)間等［3］進(jìn)行了研究。在上述研究的基礎(chǔ)上，本文基于某大跨徑橋承臺(tái)實(shí)際工程應(yīng)用分析，通過(guò)有限元仿真模型的相關(guān)成果，對(duì)溫控方案進(jìn)行了優(yōu)化，對(duì)水泥用量進(jìn)行了分析控制，提出了更為科學(xué)可行的溫控方案。

1 工程概況

某多跨連續(xù)梁橋位于湖南省內(nèi)，為二級(jí)公路，設(shè)計(jì)速度40 km/h，橋梁全長(zhǎng)462 m，為預(yù)應(yīng)力混凝土懸澆連續(xù)鋼構(gòu)橋，橋址區(qū)屬于典型的山區(qū)深切峽谷地貌。該橋主跨兩側(cè)的承臺(tái)高5 m，側(cè)向尺寸15 m左右，混凝土總方量1 000余方。根據(jù)施工順序，對(duì)最早實(shí)施的承臺(tái)作為水化熱監(jiān)控對(duì)象，提取分析數(shù)據(jù)后，指導(dǎo)另一處承臺(tái)施工。

2 冷卻管布設(shè)優(yōu)化

在實(shí)施前，先對(duì)冷卻管布置圖進(jìn)行了優(yōu)化，施工圖提供了橋墩承臺(tái)的冷卻管參考布置圖，結(jié)合既有項(xiàng)目及相關(guān)研究［4］，認(rèn)為橋墩承臺(tái)的冷卻管參考布置圖存在以下缺點(diǎn)：

第一，冷卻管沿短邊側(cè)布設(shè)，彎頭均在長(zhǎng)邊側(cè)，導(dǎo)致冷卻管彎頭較多。

第二，采用直徑28 mm的冷卻管，直徑偏小。

第三，冷卻管距承臺(tái)外緣最小厚度60 cm，距離過(guò)近。

前兩點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致冷卻效率低，第三點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致更大的內(nèi)外溫差。

考慮到承臺(tái)分2層澆筑，每層250 cm，溫控方案按每層沿高度布設(shè)2套冷卻管，每層設(shè)置2套冷卻水進(jìn)出口。2套冷卻管間距80 cm，距離承臺(tái)長(zhǎng)邊85 cm、短邊80 cm，冷卻管間距110 cm，冷卻管采用Φ42×2.5 mm型。

3 承臺(tái)水化熱有限元仿真計(jì)算

3.1 有限元模型的建立

3.1.1 混凝土熱力參數(shù)

一般材料特性［5］：承臺(tái)混凝土C35?；炷廖锢頍釋W(xué)特性參數(shù)如表1所示。

3.1.2 邊界條件

本文將水化熱分析的邊界條件分成兩類：有限元模型位移邊界條件和熱傳導(dǎo)分析邊界條件。在這些熱傳導(dǎo)分析邊界條件中，包含單元對(duì)流邊界、單元固定溫度邊界、環(huán)境溫度函數(shù)、對(duì)流系數(shù)函數(shù)和熱源函數(shù)［6］。

3.1.2.1 環(huán)境溫度函數(shù)

由于原材料初始溫度、混凝土料入倉(cāng)和澆筑層界面的散熱性等因素會(huì)受到環(huán)境和溫度的影響，因此也可以說(shuō)是環(huán)境溫度對(duì)承臺(tái)混凝土溫度有很大的影響。除了水化熱之外，氣溫對(duì)混凝土溫度的影響最為顯著，是造成混凝土開(kāi)裂的主要因素，同時(shí)也是進(jìn)行溫度應(yīng)力計(jì)算和制定溫控措施的基礎(chǔ)［7］。氣溫的定義應(yīng)當(dāng)依據(jù)施工季節(jié)的天氣情況確定，在實(shí)際建模時(shí)，環(huán)境溫度參數(shù)參考各承臺(tái)計(jì)劃的施工工期取值［8］。

3.1.2.2 對(duì)流系數(shù)函數(shù)

對(duì)流系數(shù)函數(shù)能夠反映流體與固體表面間的換熱能力。表面換熱系數(shù)的大小與空氣的物性、換熱表面的形狀和位置、表面與空氣間的溫度差異及流速等因素有關(guān)。在一定條件下，物體表面周邊的空氣流速越大，表面對(duì)流系數(shù)也就越大［9］。

3.1.2.3 熱源函數(shù)

熱源函數(shù)可以根據(jù)混凝土的配合比進(jìn)行絕熱溫升試驗(yàn)，試驗(yàn)依據(jù)相關(guān)規(guī)范中絕熱溫升方法進(jìn)行。

3.1.2.4 單元固定溫度邊界

單元固定溫度邊界即單位溫度不會(huì)隨著時(shí)間的推移而改變。在所建模型中，對(duì)承臺(tái)的兩側(cè)和底部都進(jìn)行了考慮，設(shè)定單元固定溫度邊界條件［10］。

3.1.2.5 初始溫度條件

初始溫度條件是指混凝土的入模溫度條件。隨著模具的進(jìn)入，模具的最高溫度將會(huì)升高，模具的內(nèi)部和外部的溫差將會(huì)變得很大。但是，較低的入模溫度也會(huì)使混凝土的初凝變得困難。因此在施工工程中應(yīng)采取行之有效的方法，將混凝土的入模溫度控制在25℃以下，計(jì)算時(shí)取入模溫度為25℃。

3.1.3 管冷

模型中輸入管冷相關(guān)參數(shù)如表2所示。

3.1.4 施工階段

本模型的施工階段按照實(shí)際的施工計(jì)劃模擬，每一層澆筑即為一個(gè)施工階段。在每一階段激活相對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格特性、邊界條件、荷載等。最終穩(wěn)定控制標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

3.2 有限元模型

以上述混凝土熱工參數(shù)、環(huán)境溫度、混凝土入模溫度、管冷通水溫度條件為依據(jù)，結(jié)合擬采取的混凝土表面保溫措施等，計(jì)算和分析混凝土水化熱溫度場(chǎng)。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用六面體網(wǎng)格單元，考慮到計(jì)算效率和精度，將主墩承臺(tái)劃分21.6萬(wàn)單元數(shù)。針對(duì)不同的承臺(tái)面，根據(jù)不同的施工條件，確定了封底混凝土層厚度，探討封底混凝土層對(duì)承臺(tái)底部混凝土的熱傳導(dǎo)性能的影響。

3.3 計(jì)算結(jié)果

參考配合比情況，計(jì)算了每立方混凝土水泥用量分別為250 kg、300 kg、324 kg三種工況。這里給出第一層中心和表面，以及第二層中心和表面的代表測(cè)結(jié)果。計(jì)算結(jié)果小結(jié)如表4所示。由計(jì)算結(jié)果可知，水泥用量為324 kg時(shí)，表面和核心均有開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)?；谟?jì)算結(jié)果，建議應(yīng)控制每立方混凝土水泥的用量在300 kg以內(nèi)。

承臺(tái)混凝土第一次澆筑于當(dāng)天上午8：30開(kāi)始澆筑，澆筑方量500余方。混凝土澆筑完畢后18 h達(dá)到溫峰59.1℃。溫峰過(guò)后混凝土內(nèi)部溫度緩慢下降，降溫速率穩(wěn)定。

第二層混凝土澆筑在第10天后的下午進(jìn)行，澆筑方量約400余方?；炷翝仓戤吅?6 h達(dá)到溫峰62.3℃。溫峰過(guò)后混凝土內(nèi)部溫度緩慢下降，降溫速率穩(wěn)定。第一周至第六周監(jiān)測(cè)結(jié)果如表5所示。

第一周第一層澆筑后，承臺(tái)內(nèi)部最高溫度為59.1℃，在澆筑20 h后達(dá)到。建模預(yù)測(cè)的最高溫度為61.1℃，較為準(zhǔn)確；但建模預(yù)測(cè)的達(dá)峰溫時(shí)間為68 h，有較大的出入。分析原因?yàn)榛炷脸跄龝r(shí)間過(guò)短，導(dǎo)致早期水化放熱快。

第二周第二層澆筑后，承臺(tái)內(nèi)部最高溫度為62.3℃，在澆筑20 h后達(dá)到。建模預(yù)測(cè)的最高溫度為61.1℃，較為準(zhǔn)確；但建模預(yù)測(cè)的達(dá)峰溫時(shí)間為68 h，有較大的出入。分析原因?yàn)榛炷脸跄龝r(shí)間過(guò)短，導(dǎo)致早期水化放熱快。

第三周監(jiān)測(cè)第一層混凝土核心溫度為48.8℃，第二層混凝土核心最高溫度為51.6℃，最大內(nèi)表溫差為13.2℃。

第四周監(jiān)測(cè)第一層混凝土核心溫度為44.6℃，第二層混凝土核心最高溫度為43.2℃，最大內(nèi)表溫差為15.7℃。

第五周監(jiān)測(cè)第一層混凝土核心溫度為41.9℃，第二層混凝土核心最高溫度為39℃，最大內(nèi)表溫差為14.7℃。

第六周監(jiān)測(cè)第一層混凝土核心溫度為39.8℃，第二層混凝土核心最高溫度為37.9℃，最大內(nèi)表溫差為11.1℃。

由于承臺(tái)所在位置為典型山區(qū)峽谷地帶，受溫度變化大、大風(fēng)等不利溫控的外部條件影響，在混凝土澆筑后表面降溫較快，現(xiàn)場(chǎng)采取了用彩條布覆蓋側(cè)模表面的覆蓋保溫措施，同時(shí)維持承臺(tái)頂面蓄溫水＞10 d，且蓄溫溫度與核心溫度溫差控制在15℃以內(nèi)。

兩次澆筑的入模溫度為25.3℃、25.6℃，略微超過(guò)建模的入模溫度，是澆筑當(dāng)天氣溫高，日照強(qiáng)烈，混凝土入模溫度隨之升高所致。在后續(xù)墩承臺(tái)澆筑施工時(shí)，施工單位采取了針對(duì)性措施，降低了入模溫度，取得了更好的溫控效果。

考慮到復(fù)雜的外部條件，現(xiàn)場(chǎng)適當(dāng)延長(zhǎng)了拆模時(shí)間，控制拆模時(shí)間＞10 d。

5 結(jié)論與建議

大體積混凝土溫控重點(diǎn)首先應(yīng)是控制水化熱總量，建議提前做好原材料適配工作，建議控制水泥用量。

大體積混凝土溫控第二個(gè)重點(diǎn)是控制內(nèi)外溫差，防止裂縫產(chǎn)生，建議適當(dāng)外摻緩凝劑，以延緩峰溫出現(xiàn)的時(shí)間，降低峰值溫度。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)情況，采取措施降低入模溫度，這更有利于控制內(nèi)表溫差。同時(shí)，也要做好針對(duì)大溫差及大風(fēng)等不利外部條件的應(yīng)急預(yù)案。

溫控方案應(yīng)結(jié)合施工方案及外部環(huán)境情況設(shè)計(jì)冷卻管布設(shè)，提高冷卻效率，避免加劇內(nèi)表溫差。

大體積混凝土應(yīng)根據(jù)外部環(huán)境制訂養(yǎng)護(hù)方案，澆筑完成后加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，嚴(yán)格保證養(yǎng)護(hù)時(shí)間，不利條件下還應(yīng)適當(dāng)增加養(yǎng)護(hù)天數(shù)。

溫控期間，建議適當(dāng)增加水泵數(shù)目，同時(shí)控制好水箱中出、入水口的距離，保證冷卻效率。

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