陳 洪

(中鐵大橋局集團(tuán)第八工程有限公司，重慶 400039)

隨著我國(guó)橋梁建設(shè)的迅速發(fā)展，橋梁構(gòu)件的截面尺寸逐漸增大，大體積混凝土澆筑也隨之成為一個(gè)難點(diǎn)。GB 50496-2009大體積混凝土施工規(guī)范對(duì)大體積混凝土定義為:混凝土結(jié)構(gòu)物實(shí)體最小幾何尺寸不小于1 m的大體量混凝土，或預(yù)計(jì)會(huì)因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土。對(duì)大體積混凝土進(jìn)行分層澆筑是對(duì)混凝土水化熱溫控的重要措施，然而分層澆筑會(huì)降低施工效率，影響澆筑質(zhì)量。對(duì)于大體積混凝土一次澆筑方量的最大值，目前尚未有明確規(guī)定。以在建的重慶寸灘長(zhǎng)江大橋的承臺(tái)為例，基于承臺(tái)一次澆筑完成3 199 m3混凝土，對(duì)混凝土水化熱進(jìn)行了相應(yīng)數(shù)值分析并提出了相應(yīng)溫控措施。

1 工程概況

重慶機(jī)場(chǎng)專(zhuān)用快速路工程南段寸灘長(zhǎng)江大橋分主橋及南北引橋兩大部分。寸灘長(zhǎng)江大橋主橋?yàn)橹骺?80 m的鋼箱梁?jiǎn)慰珉p塔懸索橋，主纜邊跨250 m，分跨為250 m+880 m+250 m，主跨矢跨比1/8.8，兩根主纜中心距39.2 m;主塔為門(mén)式框架結(jié)構(gòu)，主塔基礎(chǔ)采用分離式承臺(tái)，寸灘長(zhǎng)江大橋1號(hào)、2號(hào)主塔，其承臺(tái)采用八邊形，縱、橫向總長(zhǎng)均為24.6 m，承臺(tái)厚6 m，采用C40混凝土，單個(gè)承臺(tái)混凝土量為3 199 m3，承臺(tái)混凝土一次澆筑完成。

承臺(tái)及冷卻水管示意圖見(jiàn)圖1。

2 溫控計(jì)算理論

2.1 水泥水化熱計(jì)算

水泥水化熱是混凝土溫升的決定性因素，水泥水化熱有幾種不同的計(jì)算公式，通常采用指數(shù)式計(jì)算公式:

其中，Q(τ)為在齡期τ時(shí)積累的水化熱;Q0為在τ→∞時(shí)的最終水化熱;τ為齡期;m為常數(shù)，隨水泥品種、表面及澆筑溫度不同而不同。

2.2 熱傳導(dǎo)方程

承臺(tái)受到水泥水化熱影響，結(jié)構(gòu)溫度隨著時(shí)間變化，結(jié)構(gòu)內(nèi)部為非穩(wěn)定溫度場(chǎng)，其熱傳導(dǎo)方程可以用下式:

2.3 初始條件和邊界條件

結(jié)構(gòu)的溫度是隨著時(shí)間和空間變化的，熱傳導(dǎo)方程有無(wú)窮解，如果要求得所需要的正確解，需要知道初始條件和邊界條件。

圖1 承臺(tái)及冷卻水管示意圖

1)初始條件?；炷猎谌肽r(shí)，結(jié)構(gòu)溫度是均勻分布的，可以認(rèn)為初始條件就是混凝土入模狀態(tài)。初始條件可以用下式表示:

2)邊界條件。承臺(tái)熱交換主要包括兩個(gè)方面，承臺(tái)混凝土和空氣熱交換、承臺(tái)混凝土和地基的熱交換。承臺(tái)和空氣熱交換時(shí)，熱量的交換與兩者的溫度差值有關(guān)，可以用下式表示:

其中，β為導(dǎo)熱物體表面散熱系數(shù);Ta為空氣溫度;λ為導(dǎo)熱體的導(dǎo)熱系數(shù)。

承臺(tái)混凝土和地基進(jìn)行熱交換時(shí)，在接觸面上熱流量和溫度都是連續(xù)的，可采用下面公式:

3 溫控措施研究

在實(shí)際施工過(guò)程中，難以全部滿足理論計(jì)算中的條件，如何在實(shí)際施工中對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫控成為了難點(diǎn)。大體積混凝土施工溫控措施很多，然而這些措施需要增加不小的額外費(fèi)用，在不增加額外費(fèi)用情況下對(duì)溫控措施進(jìn)行優(yōu)化成為了研究的重點(diǎn)。

3.1 水冷管布置優(yōu)化

目前，在大體積混凝土施工中，上下層水冷管通常采用相同的布置方式。這種布置方式的缺點(diǎn)在于會(huì)造成結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度不均勻，未布置水冷管部位降溫效果較差，整體降溫效果也較差。采用上下層水冷管交叉布置可以取得整體降溫效果，在有限元模型中建立兩種水冷管不同布置方式，下面對(duì)兩種布置方式進(jìn)行對(duì)比分析。

從圖2可以看出，水冷管采用交叉布置降溫效果好于上下層相同布置，采用上下層相同布置方式結(jié)構(gòu)內(nèi)部最高溫度較交叉布置高2℃。采用交叉布置不僅可以降低結(jié)構(gòu)溫度最大值，局部區(qū)域降溫效果也好于水冷管上下層相同布置。

圖2 水冷管布置效果對(duì)比圖

3.2 冷卻水研究

在水冷管中通入冷卻水，是大體積混凝土溫控的重要措施，冷卻水的研究對(duì)大體積混凝土溫控有重要意義。在夏季施工時(shí)，冷卻水溫度應(yīng)較低，從而取得較好的溫控效果。在冷卻水中加冰塊降低冷卻水溫度是一種有效措施，然而這種措施費(fèi)用較高。對(duì)于承臺(tái)大體積混凝土施工，取水較為容易，通常在江河中直接取水。江河中水流通常呈表面水溫較高，而底部水溫較低，可以抽取江河底部水作為冷卻水。

冷卻水的水流量是一個(gè)重要方面，GB 50496-2009大體積混凝土施工規(guī)范中規(guī)定，在混凝土內(nèi)部通水降溫時(shí)，進(jìn)出口水的溫度宜不大于10℃。進(jìn)出水口溫度差值與混凝土內(nèi)部溫度和流量有關(guān)，在施工過(guò)程中，一方面要參考理論計(jì)算給出的水流量值，另一方面要根據(jù)實(shí)際的進(jìn)出水口的溫度差值和結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度峰值，以此來(lái)調(diào)節(jié)冷卻水流量。

冷卻水管通水時(shí)機(jī)也是溫控的重點(diǎn)，混凝土從澆筑到硬化這段時(shí)間，混凝土放熱很小，這段時(shí)間不需要通水。混凝土開(kāi)始硬化后，水泥水化熱迅速增加，此時(shí)水冷管需要開(kāi)始通水。如果通水時(shí)間過(guò)早會(huì)造成不必要的浪費(fèi)，通水較晚會(huì)造成結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱量的積累。

3.3 澆筑時(shí)間控制研究

大體積混凝土的澆筑通常會(huì)持續(xù)幾天，在澆筑過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)頂層混凝土澆筑結(jié)束后，底層混凝土的溫度已經(jīng)降下來(lái)并趨于穩(wěn)定。澆筑時(shí)應(yīng)合理控制澆筑持續(xù)時(shí)間，一方面要避開(kāi)上下層混凝土溫度高峰期重合，同時(shí)要保證混凝土澆筑的連續(xù)性，其目的是為了降低承臺(tái)內(nèi)部溫度峰值。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，混凝土一般在澆筑后20 h～22 h開(kāi)始硬化，混凝土硬化時(shí)迅速放熱，在硬化后20 h左右，混凝土內(nèi)部溫度達(dá)到最大值。根據(jù)上述分析，澆筑一層混凝土的時(shí)間控制在1 d左右比較適宜。此時(shí)底層混凝土溫度高峰已過(guò)，進(jìn)入降溫階段，而頂層混凝土溫度逐漸增大。

4 溫控計(jì)算分析

承臺(tái)的施工方案在制定后，需要對(duì)施工方案進(jìn)行溫控計(jì)算，溫控計(jì)算采用有限元計(jì)算軟件MIDAS/FEA。根據(jù)施工方案建立有限元分析模型，對(duì)施工階段的水化熱進(jìn)行模擬，分析施工階段承臺(tái)的溫度場(chǎng)和應(yīng)力分布。在模擬承臺(tái)混凝土澆筑過(guò)程中，考慮了以下問(wèn)題:混凝土入模溫度、結(jié)構(gòu)熱交換邊界條件、冷卻水管、大氣溫度以及澆筑模板的影響。

4.1 計(jì)算參數(shù)

混凝土入模溫度為28℃，冷卻水管參數(shù)如下:冷卻水管直徑0.05 cm、冷卻水管流量2.0 m3/h、對(duì)流系數(shù)319.55 Kcal/(m2·hr·℃)、通水時(shí)間7 d。混凝土的參數(shù)如下:比熱0.25 Kcal/(kg·℃)、熱傳導(dǎo)率2.5 Kcal/(m3·hr·℃)、絕熱升溫45.8℃，混凝土標(biāo)號(hào)為C40。

4.2 計(jì)算模型

承臺(tái)為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，建立1/4結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型，在對(duì)稱(chēng)面采用對(duì)稱(chēng)邊界條件(見(jiàn)圖3)。模型熱交換邊界條件分為兩類(lèi):結(jié)構(gòu)和大氣熱交換、結(jié)構(gòu)和地基熱交換。模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為103 576，模型單元數(shù)為112 742，其中地基單元1 534個(gè)，混凝土單元111 208個(gè)。

圖3 1/4承臺(tái)模型圖

圖4 最高溫度時(shí)溫度分布云圖

4.3 溫控計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過(guò)計(jì)算分析結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖5 典型節(jié)點(diǎn)溫度時(shí)間曲線圖

圖6 典型節(jié)點(diǎn)應(yīng)力和允許應(yīng)力圖

通過(guò)計(jì)算可以看出最高溫度出現(xiàn)在40 h，溫度最大值為73℃，有效控制了結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度最大值，滿足規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在60 h，拉應(yīng)力最大值為1 MPa，小于混凝土允許應(yīng)力。

4.4 溫控實(shí)際數(shù)據(jù)

實(shí)際溫控效果是否理想，是檢驗(yàn)溫控方案的標(biāo)準(zhǔn)。為了便于對(duì)結(jié)構(gòu)分析，將承臺(tái)豎向分為四層，每層高1.5 m，對(duì)每層混凝土中心位置溫度進(jìn)行測(cè)試。寸灘長(zhǎng)江大橋承臺(tái)溫度數(shù)據(jù)如圖7所示。

通過(guò)圖7可以看出，從混凝土澆筑開(kāi)始到混凝土溫度迅速升高大約有20 h，這期間混凝土溫度升高較小。

圖7 寸灘長(zhǎng)江大橋承臺(tái)溫度

在實(shí)際控制中，根據(jù)冷卻水進(jìn)出口溫差和混凝土的溫度控制冷卻水流量。當(dāng)內(nèi)部最高溫度達(dá)到65℃時(shí)，增加冷卻水管水流量，保證結(jié)構(gòu)內(nèi)部最高溫度在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。承臺(tái)實(shí)測(cè)溫度最大值為72℃，滿足規(guī)范要求。

前面已經(jīng)指出，在澆筑承臺(tái)時(shí)需要注意澆筑持續(xù)時(shí)間。圖7可以看出當(dāng)混凝土出現(xiàn)峰值時(shí)，下面一層混凝土已經(jīng)進(jìn)入降溫階段，這種控制方法可以有效降低混凝土內(nèi)部峰值。

5 結(jié)語(yǔ)

水泥的水化熱是結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻溫度梯度的主要原因，在混凝土內(nèi)部的不均勻溫度場(chǎng)作用下，結(jié)構(gòu)同時(shí)受到內(nèi)部和外部的約束，結(jié)構(gòu)不能自由變形，從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力。當(dāng)溫度應(yīng)力大于混凝土允許應(yīng)力，結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生裂縫。既有文獻(xiàn)已經(jīng)提出了很多大體積混凝土溫控措施，這些措施的關(guān)鍵都在于減小結(jié)構(gòu)內(nèi)外部溫度差值。

本文結(jié)合實(shí)際施工，提出了在施工中可行的溫控措施，這些措施在溫控過(guò)程中取得了明顯的效果，并且在寸灘長(zhǎng)江大橋承臺(tái)大體積混凝土溫控中得到應(yīng)用，承臺(tái)在拆模后沒(méi)有出現(xiàn)裂縫，溫控過(guò)程中各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

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