丹江口漢江公路大橋主塔承臺水化熱溫控分析

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)生的溫度應力而導致的混凝土開裂是比較普遍的現(xiàn)象，水化熱產(chǎn)生的裂縫尤其是貫穿結構內(nèi)部的裂縫對結構的承載力、防水能力，以及耐久性都會產(chǎn)生不良的影響。目前應用有限元仿真進行的數(shù)值計算方法是大體積混凝土水化熱計算常見的方法之一。文中用MIDAS/CIVIL 2012有限元分析軟件對8號主塔承臺進行水化熱的計算分析，通過對不布設冷水管和布設冷水管的工況進行計算，得到承臺內(nèi)部對應位置的溫度均大幅度降低，同時布設冷水管后承臺內(nèi)不利節(jié)點的應力也有大幅度的降低，可有效控制混凝土開裂。

關鍵詞丹江口漢江大橋主塔承臺水化熱溫控分析

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)，項目建設總里程929.557 m，其中跨漢江大橋總長780 m，兩岸接線長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490 m；引橋采用7孔40 m標準跨度的連續(xù)T梁，共分2聯(lián)，跨度組合為3×40 m+4×40 m，長280 m,見圖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設計概況：8號塔基礎平面為2個獨立的圓端形承臺，承臺頂高程83.5 m，厚度為5.0 m；承臺平面尺寸布置為23.25 m(順橋向)×17 m(橫橋向)，圓端半徑為8.5 m；每個承臺對應10根直徑2.5 m 大直徑鉆孔灌注樁，樁長45 m，按摩擦樁進行設計，樁尖嵌入中風化泥質(zhì)粉砂巖(層號③)內(nèi)。塔座均為棱型臺，厚度為2.0 m；8號塔座底面尺寸為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)。主塔結構為H形塔，分離式承臺基礎，單個承臺形狀見圖2。

圖2　主塔單個承臺示意圖

2大體積承臺水化熱計算方法

在橋梁工程的承臺混凝土施工中，由大體積混凝土澆筑產(chǎn)生的溫度應力而導致的混凝土開裂是比較普遍的現(xiàn)象，水化熱產(chǎn)生的裂縫尤其是貫穿結構內(nèi)部的裂縫對結構的承載力、防水能力，以及耐久性都會產(chǎn)生不良的影響[1-2]。因此對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8號主塔承臺進行水化熱計算分析。

主塔承臺使用了簡單的板式基礎模型，其形狀見圖2。對澆筑混凝土后的1 000 h進行了水化熱分析，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率的結構。另外，由于模型具有對稱性，因此只取1/4模型進行建模和分析，其優(yōu)點不僅可以提高建模速度、縮短分析時間，而且也便于查看內(nèi)部溫度分布以及應力發(fā)生狀況。

丹江口漢江大橋8號主塔承臺具體結構尺寸和混凝土數(shù)量見表1。

表1　丹江口漢江公路大橋8號主塔承臺尺寸及數(shù)量表

2.1　無冷卻水管工況下各施工階段最高溫度

承臺內(nèi)無冷卻管布置時通過MIDAS/CIVIL 2012軟件內(nèi)的水化熱分析模塊計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，見圖3。

圖3　溫度云圖(承臺內(nèi)無冷卻水管)

軟件計算可得封底混凝土最高溫度31.1 ℃，承臺第一層最高溫度48.3 ℃，承臺第二層最高溫度48.6 ℃，計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

承臺內(nèi)布置冷卻管，見圖4。布置后通過MIDAS/CIVIL 2012軟件計算得到各對應工況的溫度云圖，見圖5。

圖4　承臺冷卻管平面布置圖(單位：mm)

圖5　溫度云圖(承臺內(nèi)有冷卻水管)

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

通過軟件計算可以明顯地看出，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初期產(chǎn)生的拉應力超過混凝土抗壓強度時，就會導致混凝土裂縫；②在拆模前后，表面溫度降低很快，造成了溫度陡降，也會導致裂縫的產(chǎn)生；③當混凝土內(nèi)部達到最高溫度后，熱量逐漸散發(fā)而達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]。見圖6。

圖6　2種工況下承臺混凝土最大應力和容許抗拉強度時程變化圖

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

3結論

(1) 通過應用效果和計算得出：在溫度最高的位置布置管冷的方法可有效地控制水化熱，并減小溫度裂縫對結構的影響，MIDAS/CIVIL 2012有限元分析軟件對承臺進行水化熱的計算分析是行之有效的，對其他類似工程具有參考價值。

(2) 通過對8號塔承及塔座混凝土澆注過程進行水化熱分析，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、骨料預冷、管冷、Sheet養(yǎng)護等措施，能夠滿足承臺及墩身在施工過程中不出現(xiàn)溫度應力超過混凝土同期抗拉強度的情況，有效降低了溫度應力引起的開裂風險[5]。

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

參考文獻

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

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

[3]李長瑞,杜嘉林.Midas/Civil在大體積混凝土承臺水化熱控制中的應用[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，葛新民，曾艷，等.野三河大橋主墩底座高強大體積混凝土防裂施工技術[J].武漢理工大學學報：交通科學與工程版，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