丹江口漢江公路大橋主塔承臺(tái)水化熱溫控分析

左生榮劉占兵何志紅譚博夫

(湖北省路橋集團(tuán)有限公司武漢430056)

摘要由大體積混凝土澆筑產(chǎn)生的溫度應(yīng)力而導(dǎo)致的混凝土開(kāi)裂是比較普遍的現(xiàn)象，水化熱產(chǎn)生的裂縫尤其是貫穿結(jié)構(gòu)內(nèi)部的裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)的承載力、防水能力，以及耐久性都會(huì)產(chǎn)生不良的影響。目前應(yīng)用有限元仿真進(jìn)行的數(shù)值計(jì)算方法是大體積混凝土水化熱計(jì)算常見(jiàn)的方法之一。文中用MIDAS/CIVIL 2012有限元分析軟件對(duì)8號(hào)主塔承臺(tái)進(jìn)行水化熱的計(jì)算分析，通過(guò)對(duì)不布設(shè)冷水管和布設(shè)冷水管的工況進(jìn)行計(jì)算，得到承臺(tái)內(nèi)部對(duì)應(yīng)位置的溫度均大幅度降低，同時(shí)布設(shè)冷水管后承臺(tái)內(nèi)不利節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力也有大幅度的降低，可有效控制混凝土開(kāi)裂。

關(guān)鍵詞丹江口漢江大橋主塔承臺(tái)水化熱溫控分析

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.02.002

收稿日期：2014-11-19

1概況

丹江口漢江公路大橋位于湖北省丹江口市境內(nèi)，項(xiàng)目建設(shè)總里程929.557 m，其中跨漢江大橋總長(zhǎng)780 m，兩岸接線長(zhǎng)151.13 m。主橋采用主跨260 m雙塔P.C.梁斜拉橋方案，跨度組合為145 m+260 m+85 m，長(zhǎng)490 m；引橋采用7孔40 m標(biāo)準(zhǔn)跨度的連續(xù)T梁，共分2聯(lián)，跨度組合為3×40 m+4×40 m，長(zhǎng)280 m,見(jiàn)圖1。

圖1丹江口高低塔雙索面斜拉橋示意圖

丹江口漢江公路大橋主塔承臺(tái)設(shè)計(jì)概況：8號(hào)塔基礎(chǔ)平面為2個(gè)獨(dú)立的圓端形承臺(tái)，承臺(tái)頂高程83.5 m，厚度為5.0 m；承臺(tái)平面尺寸布置為23.25 m(順橋向)×17 m(橫橋向)，圓端半徑為8.5 m；每個(gè)承臺(tái)對(duì)應(yīng)10根直徑2.5 m 大直徑鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)45 m，按摩擦樁進(jìn)行設(shè)計(jì)，樁尖嵌入中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖(層號(hào)③)內(nèi)。塔座均為棱型臺(tái)，厚度為2.0 m；8號(hào)塔座底面尺寸為13.0 m(橫橋向)×19.25 m(順橋向)，頂面尺寸為9.0 m(橫橋向)×15.25 m(順橋向)。主塔結(jié)構(gòu)為H形塔，分離式承臺(tái)基礎(chǔ)，單個(gè)承臺(tái)形狀見(jiàn)圖2。

圖2　主塔單個(gè)承臺(tái)示意圖

2大體積承臺(tái)水化熱計(jì)算方法

在橋梁工程的承臺(tái)混凝土施工中，由大體積混凝土澆筑產(chǎn)生的溫度應(yīng)力而導(dǎo)致的混凝土開(kāi)裂是比較普遍的現(xiàn)象，水化熱產(chǎn)生的裂縫尤其是貫穿結(jié)構(gòu)內(nèi)部的裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)的承載力、防水能力，以及耐久性都會(huì)產(chǎn)生不良的影響[1-2]。因此對(duì)大體積混凝土水化熱的分析在橋梁施工中顯得尤為重要。本文借助MIDAS/CIVIL 2012有限元分析軟件，對(duì)8號(hào)主塔承臺(tái)進(jìn)行水化熱計(jì)算分析。

主塔承臺(tái)使用了簡(jiǎn)單的板式基礎(chǔ)模型，其形狀見(jiàn)圖2。對(duì)澆筑混凝土后的1 000 h進(jìn)行了水化熱分析，其中管冷作用于前100 h。 如果將地基的支承條件使用彈簧模擬，則無(wú)法描述混凝土的熱量傳遞給地基的情況。因此需要將地基也模擬為具有一定比熱容和熱傳導(dǎo)率的結(jié)構(gòu)。另外，由于模型具有對(duì)稱性，因此只取1/4模型進(jìn)行建模和分析，其優(yōu)點(diǎn)不僅可以提高建模速度、縮短分析時(shí)間，而且也便于查看內(nèi)部溫度分布以及應(yīng)力發(fā)生狀況。

丹江口漢江大橋8號(hào)主塔承臺(tái)具體結(jié)構(gòu)尺寸和混凝土數(shù)量見(jiàn)表1。

表1　丹江口漢江公路大橋8號(hào)主塔承臺(tái)尺寸及數(shù)量表

2.1　無(wú)冷卻水管工況下各施工階段最高溫度

承臺(tái)內(nèi)無(wú)冷卻管布置時(shí)通過(guò)MIDAS/CIVIL 2012軟件內(nèi)的水化熱分析模塊計(jì)算得到各不同層所在位置的最高溫度[3]，并列出下列不同位置的溫度云圖，見(jiàn)圖3。

圖3　溫度云圖(承臺(tái)內(nèi)無(wú)冷卻水管)

軟件計(jì)算可得封底混凝土最高溫度31.1 ℃，承臺(tái)第一層最高溫度48.3 ℃，承臺(tái)第二層最高溫度48.6 ℃，計(jì)算得到塔座最高溫度47.0 ℃。

2.2　有冷卻水管工況下各施工階段最高溫度

承臺(tái)內(nèi)布置冷卻管，見(jiàn)圖4。布置后通過(guò)MIDAS/CIVIL 2012軟件計(jì)算得到各對(duì)應(yīng)工況的溫度云圖，見(jiàn)圖5。

圖4　承臺(tái)冷卻管平面布置圖(單位：mm)

圖5　溫度云圖(承臺(tái)內(nèi)有冷卻水管)

軟件計(jì)算可得：加冷卻管后，封底混凝土最高溫度為31.1 ℃，承臺(tái)第一層最高溫度35.2 ℃，承臺(tái)第二層最高溫度32.9 ℃，塔座最高溫度33.2 ℃。

通過(guò)軟件計(jì)算可以明顯地看出，加冷卻管后，在相同的位置，除了封底混凝土外，其他位置的混凝土的溫度都有大幅度的降低，說(shuō)明加冷卻管水化熱降溫的效果是非常顯著的。

由溫差產(chǎn)生的溫度裂縫可分為以下3種：①混凝土澆筑初期，產(chǎn)生大量的水化熱，水化熱積聚在混凝土內(nèi)部不易散發(fā)，使混凝土內(nèi)部溫度上升，而混凝土表面溫度為室外環(huán)境溫度，這就形成了內(nèi)外溫差，這種內(nèi)外溫差在混凝土凝結(jié)初期產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗壓強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致混凝土裂縫；②在拆模前后，表面溫度降低很快，造成了溫度陡降，也會(huì)導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生；③當(dāng)混凝土內(nèi)部達(dá)到最高溫度后，熱量逐漸散發(fā)而達(dá)到使用溫度或最低溫度，它們與最高溫度的差值就是內(nèi)部溫差，導(dǎo)致溫度裂縫。在這3種溫差中，較為主要的是由水化熱引起的內(nèi)外溫差[4]。見(jiàn)圖6。

圖6　2種工況下承臺(tái)混凝土最大應(yīng)力和容許抗拉強(qiáng)度時(shí)程變化圖

通過(guò)對(duì)比有無(wú)冷卻管的最不利位置拉應(yīng)力和容許抗拉強(qiáng)度，以及最不利位置拉應(yīng)力比發(fā)現(xiàn)：增加了冷卻水管后，承臺(tái)、塔座、塔身第一節(jié)降溫效果明顯，同時(shí)混凝土最大拉應(yīng)力下降30%。

3結(jié)論

(1) 通過(guò)應(yīng)用效果和計(jì)算得出：在溫度最高的位置布置管冷的方法可有效地控制水化熱，并減小溫度裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，MIDAS/CIVIL 2012有限元分析軟件對(duì)承臺(tái)進(jìn)行水化熱的計(jì)算分析是行之有效的，對(duì)其他類似工程具有參考價(jià)值。

(2) 通過(guò)對(duì)8號(hào)塔承及塔座混凝土澆注過(guò)程進(jìn)行水化熱分析，采取優(yōu)化混凝土配合比、增加冷卻管散熱低熱水泥、分段澆筑、骨料預(yù)冷、管冷、Sheet養(yǎng)護(hù)等措施，能夠滿足承臺(tái)及墩身在施工過(guò)程中不出現(xiàn)溫度應(yīng)力超過(guò)混凝土同期抗拉強(qiáng)度的情況，有效降低了溫度應(yīng)力引起的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)[5]。

(3) 水化熱計(jì)算按照是否布置冷卻水管進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算，發(fā)現(xiàn)增加了冷卻水管后承臺(tái)、塔座、塔身第一節(jié)降溫效果明顯，同時(shí)混凝土最大拉應(yīng)力下降30%，并需要對(duì)冷卻水管布置方案考慮承臺(tái)、塔座的散熱措施。

參考文獻(xiàn)

[1]黃志福.大體積承臺(tái)混凝土水化熱分析及溫控措施[J].工程與建設(shè),2008(1):14-16.

[2]李鑫,杜嘉驊,張若銅.橋梁承臺(tái)大體積砼水化熱溫度監(jiān)測(cè)及數(shù)值分析[J].公路與汽運(yùn),2009(5):112-115.

[3]李長(zhǎng)瑞,杜嘉林.Midas/Civil在大體積混凝土承臺(tái)水化熱控制中的應(yīng)用[J].山東交通科技,2011(1):58-61.

[4]華龍海,熊剛,王艷寧,等.大體積混凝土裂縫成因分析及溫控措施[J].城市道橋與防洪,2009(11):35-37.

[5]查進(jìn)，葛新民，曾艷，等.野三河大橋主墩底座高強(qiáng)大體積混凝土防裂施工技術(shù)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2007(6)：1006-1009.

Temperature Control Analysis on Hydration Heat of

Main Tower Bearing Platform in Danjiangkou Hanjiang River Bridge

ZuoShengrong，LiuZhanbing，HeZhihong，TanBofu

(Hubei Provincial Road & Bridge Co.，Ltd., Wuhan 430056, China)

Abstract：In the construction of concrete bridge engineering platform, concrete cracking caused by temperature stress produced during the casting of large volume concrete is a relatively common phenomenon. The crack generated by hydration heat especially the cracks throughout the internal structure have an adverse effect on the bearing capacity of the structure, the waterproof ability and durability. Currently, the application of the finite element numerical simulation calculation method is one of the common methods of thermal mass concrete water calculation, using MIDAS/CIVIL 2012 finite element analysis software in this paper, the analysis and calculation of the heat of hydration on No. 8 main tower abutment are completed. The result shows that the layout about the cold water pipe is one of the effective methods to reduce the heat of hydration.

Key words: Danjiangkou Hanjiang River bridge; main tower bearing platform; hydration heat; temperature control analysis