梁永輝

（鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津　300251）

?

承臺(tái)大體積混凝土水化熱溫度裂縫控制分析

梁永輝

（鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300251）

摘要：以安家山河大橋工程為例，運(yùn)用有限元軟件，對(duì)該橋5號(hào)墩承臺(tái)進(jìn)行建模，并對(duì)大體積混凝土水化熱進(jìn)行計(jì)算分析，得出合理的冷卻水通水溫度和流量，從而達(dá)到控制承臺(tái)溫度裂縫的目的。

關(guān)鍵詞：大體積混凝土，水化熱，有限元，溫度裂縫

0　引言

改革開放以來，由于鐵路運(yùn)輸事業(yè)蓬勃發(fā)展，普通橋梁已經(jīng)不能滿足運(yùn)輸需要，大型重載橋梁應(yīng)運(yùn)而生，高墩大跨鐵路橋梁比比皆是。對(duì)大跨重載鐵路橋梁的基礎(chǔ)、橋墩的施工來說，大體積混凝土澆筑施工是不可避免的。由于水泥水化熱等因素，在大體積混凝土澆筑施工時(shí)會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力，溫度應(yīng)力達(dá)到一定的水平就會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫，從而影響施工質(zhì)量。

1　工程概況

安家山河特大橋是某地方鐵路的重點(diǎn)控制工程，為四線重載鐵路橋，其中5號(hào)墩高85 m，其承臺(tái)分2層，承臺(tái)1層尺寸為32 m× 22. 4 m×5 m，承臺(tái)2層尺寸為24. 9 m×15. 3 m×3 m，混凝土用量多達(dá)4 727 m3，水化熱對(duì)大體積混凝土施工質(zhì)量有重大影響。如果不采取適當(dāng)措施，很有可能產(chǎn)生溫度裂縫。

2　大體積混凝土水化熱影響因素

大體積混凝土在施工階段產(chǎn)生的溫度裂縫，是混凝土內(nèi)部應(yīng)力和應(yīng)變發(fā)展變化的結(jié)果?？偟膩碚f，大體積混凝土施工階段裂縫產(chǎn)生的主要原因有：水泥水化熱，約束條件，外界氣溫變化，混凝土的收縮徐變等。

根據(jù)本工程的生產(chǎn)實(shí)際，影響大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的主要是水泥水化熱，影響大體積混凝土水化熱的因素主要有：1）混凝土配合比；2）混凝土入模溫度；3）混凝土養(yǎng)生；4）管冷的通水溫度和流量。

在混凝土配合比和入模溫度確定，混凝土養(yǎng)生做到位的情況下，主要靠冷卻水管來降低混凝土水化熱引起的溫升。本文通過對(duì)承臺(tái)進(jìn)行建模，對(duì)比分析三種通水溫度和流量情況以確定控制承臺(tái)混凝土溫升的最佳通水溫度和流量。

3　計(jì)算分析及施工控制

3.1計(jì)算分析

本文針對(duì)安家山河特大橋5號(hào)墩承臺(tái)利用有限元軟件MIDAS/civil建立模型進(jìn)行計(jì)算分析，該承臺(tái)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此取其1/4進(jìn)行模型建立，模型如圖1所示。依據(jù)建立的模型，首先對(duì)承臺(tái)的不加冷卻水管的自然溫升情況進(jìn)行了計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果整理出的溫度隨時(shí)間變化情況如圖2所示。

圖1　承臺(tái)1/4模型

圖2　自然狀態(tài)下承臺(tái)溫度隨時(shí)間變化圖

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果得出：承臺(tái)內(nèi)部最高溫度出現(xiàn)在混凝土澆筑完成后2 d～3 d，高溫持續(xù)保持了1 d左右，隨后溫度開始逐漸下降，初期下降速度比較快，之后降速逐漸變慢，10 d前后時(shí)降溫趨于平緩，溫度逐漸穩(wěn)定。從計(jì)算結(jié)果看出中間部分溫度最高，四周溫度相對(duì)較低。承臺(tái)內(nèi)部的最高溫度為53. 2℃，最高溫升為33. 2℃，承臺(tái)內(nèi)外最大溫差為28. 3℃，高于規(guī)范要求，會(huì)導(dǎo)致溫度裂縫的產(chǎn)生，因此需采取降溫措施。

通過以上分析，發(fā)現(xiàn)自然冷卻狀態(tài)下承臺(tái)內(nèi)外溫差達(dá)不到要求，現(xiàn)對(duì)承臺(tái)加入冷卻水管進(jìn)行降溫，在具有一定相對(duì)高差的頂部和底部位置放置2個(gè)大型盛水設(shè)備，并將頂部盛水設(shè)備中盛滿水。從頂部盛水設(shè)備引出1根進(jìn)水總管，總管口通過分水閥門與各分管相連。利用頂部與承臺(tái)之間的高差對(duì)冷卻管進(jìn)行通水，同時(shí)在盛水設(shè)備中每個(gè)進(jìn)水口放置一臺(tái)2. 2 kW的潛水排污泵，通過水泵與閥門調(diào)解流速。結(jié)合工程實(shí)際擬定了三組通水流量和數(shù)據(jù)的參數(shù)，分別為通水溫度25℃，通水流量1. 2 m3/h；通水溫度25℃，通水流量1.3 m3/h；通水溫度30℃，通水流量1.3 m3/h。

經(jīng)過計(jì)算結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)當(dāng)通水溫度在25℃、流量1. 2 m3/h時(shí)最高溫度為43. 6℃，最大溫差為23. 6℃，出現(xiàn)在澆筑完成30 h左右，滿足規(guī)范要求。再加上實(shí)際施工時(shí)當(dāng)?shù)刈罡邭鉁卦?0℃左右，因此選擇通水溫度25℃比較容易做到，并且節(jié)省成本。

3.2施工控制

確定好冷卻水管通水流量和通水溫度后，還要從以下方面在施工過程中加以控制，確保不產(chǎn)生溫度裂縫，保證施工質(zhì)量。

3.2.1配合比設(shè)計(jì)

混凝土配合比設(shè)計(jì)，除應(yīng)符合設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)、耐久性、穩(wěn)定性等要求外，根據(jù)本工程大體積混凝土施工工藝特征的要求，考慮到降低混凝土絕熱溫升值的問題，特選用緩凝型的高效減水劑作為外加劑，并摻入適量的粉煤灰。

3.2.2布置冷卻水管

根據(jù)計(jì)算分析得出的通水溫度在25℃、流量1. 2 m3/h為最佳組合，冷卻管采用具有一定剛度的外徑為48 mm的黑鐵管，采用單獨(dú)的鋼筋骨架支撐固定。按照4 m高度予以考慮，沿豎向布置冷卻管5層，其垂直間距均為0. 7 m，水平間距為1. 0 m，進(jìn)出水口引出混凝土頂面0. 3 m，出水口有調(diào)節(jié)流量的水閥和測(cè)流量設(shè)備。布管時(shí)冷卻管要與承臺(tái)主筋錯(cuò)開，當(dāng)局部管段錯(cuò)開有困難時(shí)，要適當(dāng)移動(dòng)冷卻管的位置。冷卻管必須綁扎牢固，防止混凝土澆筑過程中，冷卻管變形或接頭脫落而發(fā)生堵水或漏水。冷卻管轉(zhuǎn)彎處采用90°的緩沖彎頭，冷卻管安裝完成后，將進(jìn)水管、出水管，水泵接通進(jìn)行通水試驗(yàn)，確保水管暢通且不漏水。

3.2.3混凝土澆筑

該承臺(tái)分上下2層，共需澆筑混凝土4 727 m3，因承臺(tái)混凝土澆筑方量較大，施工時(shí)采用整體分層連續(xù)澆筑方式，每層澆筑厚度不大于50 cm，考慮到當(dāng)?shù)貧鉁丶笆┕l件，混凝土的入模溫度控制在20℃左右。施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)混凝土運(yùn)輸車逐車進(jìn)行檢查，測(cè)定混凝土的坍落度和溫度等，澆筑過程中嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范做好振搗工作。

3.2.4混凝土養(yǎng)生

滿足混凝土正常溫度下拆模強(qiáng)度的要求時(shí)方可拆模，側(cè)模在混凝土強(qiáng)度達(dá)到2. 5 MPa以上，且其表面及棱角不因拆模而受損時(shí)，方可拆模。拆模前保證內(nèi)外溫差小于20℃。拆模后繼續(xù)覆蓋、通水，始終保持溫度控制條件，養(yǎng)生時(shí)間不少于14 d。

4　承臺(tái)溫度監(jiān)測(cè)

為了準(zhǔn)確反映出混凝土內(nèi)部最高溫升，心部與表面溫度、降溫速率及環(huán)境溫度，在混凝土內(nèi)埋設(shè)電阻感應(yīng)片，以監(jiān)測(cè)混凝土內(nèi)部的實(shí)時(shí)溫度?；炷灵_始澆筑前，首先測(cè)量環(huán)境溫度。首罐混凝土入模，并振搗完成后，測(cè)量入模溫度，每層混凝土都要測(cè)量入模溫度。最后一層混凝土入模振搗完畢后，開始記錄各測(cè)溫設(shè)備溫度值，同步監(jiān)控水流的各進(jìn)出水管溫度。通過對(duì)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析，及時(shí)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)混凝土養(yǎng)護(hù)，通過調(diào)節(jié)冷卻水流量，進(jìn)水溫度等方法來調(diào)控混凝土內(nèi)部溫度，通過改變混凝土表層養(yǎng)護(hù)手段調(diào)控混凝土表層溫度。

在承臺(tái)1層和2層分別埋設(shè)了32個(gè)和16個(gè)電阻感應(yīng)片，對(duì)承臺(tái)混凝土澆筑完成后進(jìn)行溫度監(jiān)控，每2 h讀數(shù)一次，記錄每個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度。通過實(shí)施監(jiān)測(cè)措施，實(shí)測(cè)出了澆筑后10 d的承臺(tái)內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)，與有限元軟件計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖3所示。

圖3　計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)溫度對(duì)比圖

從圖3可以看出，用有限元軟件計(jì)算出的結(jié)果跟實(shí)測(cè)溫度比較接近，軟件計(jì)算的最高溫升為44.9℃，實(shí)測(cè)最高溫升為44.7℃，與計(jì)算結(jié)果相吻合，有限元軟件計(jì)算得出的溫升溫降趨勢(shì)也與實(shí)測(cè)一致。安家山河大橋5號(hào)墩已按既定措施正常施工完畢，經(jīng)檢查承臺(tái)2層均未發(fā)現(xiàn)溫度裂縫，施工質(zhì)量良好。

5　結(jié)語

大體積混凝土澆筑過程中的降溫措施一般有兩種：1）從混凝土的配合比控制，一般通過采取減少水泥用量、選用低熱水泥、加入外加劑摻入礦渣粉煤灰等混合料等措施；2）采取具體的降溫措施，通過降低拌合的水溫和骨料的溫度，降低混凝土的入模溫度，布置冷卻水管和表面覆蓋保溫層控制內(nèi)外溫差。第一種方式對(duì)大體積混凝土的降溫效果有限，一般采用第二種方式進(jìn)行降溫或者兩種方式結(jié)合使用。本文采用兩種降溫措施相結(jié)合的方法，并主要以冷卻水管方式對(duì)承臺(tái)大體積混凝土進(jìn)行降溫，通過運(yùn)用有限元軟件進(jìn)行分析計(jì)算，得出了最佳的通水溫度和流量，在一定程度上節(jié)約了施工成本，保證了施工質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

［1］卞春麗，梁曉平.現(xiàn)澆大體積混凝土施工裂縫成因分析及防止措施［J］.陜西建筑，2007，33（3）：119-120.

［2］高明德.大體積混凝土施工工藝及質(zhì)量控制［J］.鐵道建筑，2007（3）：98-99.

［3］王磊，楊培誠(chéng).大體積混凝土水化熱施工期溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)仿真分析［J］.交通科技，2010（3）：240-242.

［4］林樂強(qiáng).橋梁結(jié)構(gòu)中大體積混凝土的水化熱分析研究［J］.北方交通，2008（1）：126-128.

The control analysis on temperature cracks of bearing platform mass concrete hydration heat

Liang Yonghui
（Railway Third Survey and Design Group Limited Company，Tianjin 300251，China）

Abstract：Taking the Anjiashan river bridge engineering as an example，using the finite element software，this paper made model to No. 5 pier bearing platform of the bridge，and made calculation and analysis on mass concrete hydration heat，gained reasonable cooling water temperature and flow rate，so as to achieve the purpose control of bearing platform temperature cracks.

Key words：mass concrete，hydration heat，finite element，temperature crack

中圖分類號(hào)：TU755. 7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-6825（2016）09-0198-02

收稿日期：2016-01-11

作者簡(jiǎn)介：梁永輝（1987-），男，碩士，助理工程師