■王品香

（福建省交通建設(shè)工程監(jiān)理咨詢有限公司，福州350001）

大體積海工砼溫度應力仿真計算及控制技術(shù)措施

■王品香

（福建省交通建設(shè)工程監(jiān)理咨詢有限公司，福州350001）

大體積混凝土澆筑時由于受到水化熱作用，在澆筑后將經(jīng)歷升溫期、降溫期和穩(wěn)定期三個階段，在這些階段中，隨著溫度的變化混凝土會發(fā)生體積收縮，當混凝土體積收縮受到約束就會產(chǎn)生拉應力，如果該拉應力超過混凝土的抗拉強度，將導致混凝土開裂造成危害，本文以泉州灣跨海大橋主墩承臺為例介紹大體積海工砼的溫度應力仿真計算及控制措施。

大體積海工混凝土溫度應力仿真計算溫控措施

1　前言

大體積混凝土開裂的主因是溫差應力與混凝土本身拉應力強度之間矛盾發(fā)展的直接結(jié)果?；炷灵_裂對結(jié)構(gòu)耐久性產(chǎn)生的影響是顯而易見的，特別是處于海洋環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)，由于其特殊腐蝕環(huán)境，對混凝土的耐久性提出更高要求，故必須對混凝土的溫度進行有效的控制使之不出現(xiàn)有害溫度裂縫，以確保混凝土的質(zhì)量。

2　工程概況

泉州灣跨海大橋主橋Z3#、Z4#主墩承臺為倒圓角的矩形截面，邊塔柱分承臺截面尺寸為15.3m （橫橋向）× 17.9m（順橋向），中塔柱分承臺截面尺寸25.7m（橫橋向）× 17.9m（順橋向），承臺之間通過兩根系梁連接，單根系梁尺寸為4.6m（寬）×4.5m （高）×8m （長）。承臺頂標高為5.5m，厚度為6.0m（見圖1）。

3　溫度應力仿真計算

3.1氣象資料

泉州灣跨海大橋橋址區(qū)屬典型的亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)，季風顯著，四季分明。當?shù)貧夂驕嘏瘽駶?，雨量充沛，年均氣?6.6℃，夏季平均氣溫33.8℃，冬季平均氣溫3.6℃。

3.2設(shè)計資料

承臺混凝土設(shè)計強度等級為C35，混凝土劈裂抗拉強度參考值按經(jīng)驗取值，見表1；物理熱學參數(shù)按經(jīng)驗取值，見表2。

表1　承臺混凝土劈裂抗拉強度參考值（MPa）

表2　承臺混凝土物理熱學參數(shù)

計算時考慮徐變對混凝土應力的影響，混凝土的徐變?nèi)≈蛋唇?jīng)驗數(shù)值模型，如下式所示：

C（t，τ）=C1（1+9.20τ-0.45）（1-е-0.30（t-τ））+C2（1+1.70τ-0.45）（1-е-0.005（t-τ））

式中：C1＝0.23/E2，C2＝0.52/E2，E2為最終彈模。

3.3主橋承臺溫度應力仿真計算

3.3.1模型參數(shù)

承臺分兩次澆筑，澆筑高度分別為2.0m、4.0m；系梁一次澆筑完成。根據(jù)結(jié)構(gòu)對稱性，取承臺1/4進行溫度應力計算，模型網(wǎng)格剖分圖見圖2。

（1）參考氣候資料，風速按≥4.0m/s考慮。

（2）采用鋼模板施工，其側(cè)面等效表面放熱系數(shù)取為1840.0 kJ/（m2·d·℃），混凝土上表面散熱系數(shù)取為1973.5 kJ/（m2·d·℃）。

（3）計算時考慮冷卻水管的降溫效果。

（4）溫度及溫度應力計算從混凝土澆筑開始，模擬之后半年的溫度應力發(fā)展。

3.3.2計算結(jié)果

承臺混凝土夏季施工澆筑溫度按不超過28℃控制。在以上設(shè)定條件下，承臺各部分內(nèi)部最高溫度計算值見表3，溫峰出現(xiàn)時間約為澆筑后第3天，內(nèi)部最高溫度包絡(luò)圖見圖3，溫度應力場分布見圖4，應力計算結(jié)果見表4。

表3　索塔基礎(chǔ)混凝土內(nèi)部最高溫度計算值（℃）

表4　索塔基礎(chǔ)溫度應力場結(jié)果

從圖3、表3可以看出混凝土內(nèi)部溫度較高、散熱較慢，應優(yōu)化中間部位水管布置、加強內(nèi)部通冷卻水，注意表面保溫。

由圖4、表4可以看出，索塔基礎(chǔ)中間及兩側(cè)承臺的第一層早期（3d）溫度應力發(fā)展平緩，集中于上表面及側(cè)面，為表面拉應力；7d后有部分應力向承臺內(nèi)部轉(zhuǎn)移，表面應力減小并轉(zhuǎn)化為壓應力，內(nèi)部拉應力因受力條件改變約束變大而后期快速發(fā)展。受層厚較大影響，中間及兩側(cè)承臺的第二層、系梁早期（3d）溫度應力發(fā)展較快，集中于上表面及側(cè)面；7d后有部分應力向索塔基礎(chǔ)內(nèi)部轉(zhuǎn)移，表面應力減小，內(nèi)部應力逐漸發(fā)展至穩(wěn)定。

根據(jù)溫度應力計算結(jié)果，對不同部位、不同齡期、不同抗開裂能力的混凝土采取不同的溫控要求：①中間及兩側(cè)承臺的第二層3d抗裂安全系數(shù)僅為1.04，安全系數(shù)較低（＜1.3），分析為混凝土層厚較大、拉應力發(fā)展較快而早期抗拉強度尚未發(fā)展起來所致；需特別加強對該部位的表面保溫保濕養(yǎng)護，同時加強內(nèi)部通水，做到外保內(nèi)散；②索塔基礎(chǔ)其它齡期的混凝土安全系數(shù)較高（≥1.3），抗開裂能力較強，需根據(jù)工況采取科學而有效的溫控措施，嚴格控制內(nèi)表溫差，特別是做好表面保溫保濕養(yǎng)護工作，以避免索塔基礎(chǔ)混凝土出現(xiàn)有害溫度裂縫。

4　溫控措施

4.1溫控標準

混凝土溫度控制的原則如下：

（1）控制混凝土澆筑溫度；

（2）盡量降低混凝土的溫升、延緩最高溫度出現(xiàn)時間；

（3）控制溫峰過后混凝土的降溫速率；

（4）降低混凝土中心和表面之間、新老混凝土之間的溫差以及控制混凝土表面溫度和氣溫之間的差值。

根據(jù)本工程的實際情況，對各大體積混凝土構(gòu)件制定如表5的溫控標準：

表5　各構(gòu)件溫控標準

4.2現(xiàn)場溫度控制措施

根據(jù)以上的仿真計算結(jié)果以及溫控要素，在混凝土施工中，從混凝土的原材料選擇、配比設(shè)計以及混凝土的拌和、運輸、澆筑、振搗到通水、養(yǎng)護等全過程進行控制，具體措施如下：

（1）混凝土配制

為使海工大體積混凝土具有良好的抗裂性能、體積穩(wěn)定性和抗?jié)B性，混凝土配制按如下原則配制：

①采用低水化熱的膠凝材料體系；

②選用優(yōu)質(zhì)聚羧酸類緩凝高性能減水劑；

③摻加優(yōu)質(zhì)引氣劑；

④選用級配良好、低熱膨脹系數(shù)、低吸水率的粗集料；

⑤使用低流動性混凝土。

（2）混凝土澆筑溫度的控制

控制混凝土的澆筑溫度對控制混凝土裂縫非常重要。相同混凝土，入模溫度高的溫升值要比入模溫度低的大許多。本承臺大體積混凝土澆筑溫度的要求為不高于28～30℃，故通過控制原材料的溫度來實現(xiàn)控制混凝土的澆筑溫度。

（3）冷卻水管布設(shè)及控制

根據(jù)混凝土內(nèi)部溫度分布特征及控制最高溫度的要求，水管水平管間距控制為80cm，垂直管間距控制為80～100cm，距離混凝土上、下表面、側(cè)面控制為 80～100cm。

每層冷卻水管被混凝土覆蓋并振搗完畢后即可通水，通水時間根據(jù)測溫結(jié)果確定。澆筑至溫峰前應通最大水流量，盡量削減混凝土溫峰；溫峰過后（以現(xiàn)場測溫數(shù)據(jù)為準）適當減小通水量，防止混凝土降溫過快造成溫度應力累積而引起開裂。待冷卻水管停止水冷并養(yǎng)生完成后，先用空壓機將水管內(nèi)殘余水壓出并吹干冷卻水管，然后用壓漿機向水管壓注水泥漿，以封閉管路。

（4）內(nèi)外溫差控制

對于大體積混凝土，由于水化放熱會使溫度持續(xù)升高，在升溫的一段時間內(nèi)應加強內(nèi)部散熱，如加大通水流量、降低通水溫度等。當混凝土處于降溫階段則要表面保溫覆蓋以減小降溫速率?；炷帘爻浞?、時間足夠長，讓混凝土慢慢冷卻，直到溫差達到允許范圍，溫度應力會在混凝土內(nèi)部釋放，可有效控制有害裂縫的產(chǎn)生，本承臺施工當混凝土升溫階段采用蓄水養(yǎng)護，當高峰期過后（4d）采用土工布覆蓋加淋水養(yǎng)護。

4.3現(xiàn)場監(jiān)控

為檢驗施工質(zhì)量和溫控效果，掌握溫控信息，以便及時調(diào)整和改進溫控措施，做到信息化施工，需對混凝土進行實時溫度監(jiān)測，檢驗不同時期的溫度特性和溫控標準。當溫控措施效果不佳、達不到溫控標準時，可及時采取補救措施。

本項目的溫度檢測儀采用智能化數(shù)字多回路溫度巡檢儀，溫度傳感器為熱敏電子傳感器。傳感器的埋設(shè)參照《混凝土大壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（SDJ336-89），并根據(jù)橋梁大體積混凝土的特點加以改進，監(jiān)測元件埋設(shè)示意圖見圖5。

5　結(jié)語

通過混凝土的原材料、拌制、澆筑以及冷卻管通水控制，經(jīng)提取監(jiān)測元件數(shù)據(jù)分析（以中承臺第二層為例，見圖6）和已澆筑混凝土表面檢查，未發(fā)現(xiàn)裂縫的產(chǎn)生。本項目承臺的溫控達到了即定目標，確保了本工程的承臺質(zhì)量。同時，本項目大體積混凝土的溫控技術(shù)及措施也可為同類型工程提供參考。

［1］JTG/T F50-2011，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范［S］.

［2］GB50010-2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］GB50204-2002，混凝土結(jié)構(gòu)工程施工及驗收規(guī)范［S］.