邵俊峰

摘 要：為了保證工程質(zhì)量，避免溫度裂縫的產(chǎn)生，提出了寒冷地區(qū)冬期大體積混凝土承臺(tái)施工關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)合臨夏雙城至達(dá)里加雙城特大橋主橋大體積混凝土承臺(tái)在寒冷氣候條件下的施工特點(diǎn)，采用Midas建立了承臺(tái)水化熱有限元模型，分析了混凝土澆筑不同時(shí)間段的溫度、應(yīng)力及位移，并以此優(yōu)化了冷卻管布置方案；提出了利用暖棚保溫法確保承臺(tái)在寒冷地區(qū)冬期施工的關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)果表明該溫控措施效果良好，為類似條件下的大體積混凝土工程施工提供了參考。

關(guān)鍵詞：寒冷地區(qū)；大體積混凝土；冬期施工；暖棚法

中圖分類號(hào)：TU755 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）16-0114-02

大體積混凝土施工過程中因水化熱導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物內(nèi)部溫度升高，若處理不當(dāng)誘發(fā)混凝土出現(xiàn)溫度裂縫，嚴(yán)重影響了結(jié)構(gòu)的耐久性和透水性。因此，正確預(yù)估大體積混凝土水化熱引起的溫度應(yīng)力是其施工過程中采取合理控制措施的關(guān)鍵。冬期需要對(duì)混凝土的拌和、運(yùn)輸、澆筑及養(yǎng)護(hù)等過程進(jìn)行熱工參數(shù)計(jì)算，以便采取合適的措施保證工程質(zhì)量。為保證混凝土質(zhì)量，避免水化熱產(chǎn)生的溫度裂縫，開展寒冷地區(qū)冬期大體積混凝土的施工技術(shù)研究具有重要意義。本論文依托臨夏雙城至達(dá)里加（甘青界）公路工程雙城特大橋18#承臺(tái)，采用Midas建立了承臺(tái)有限元模型分析了不同時(shí)間段的混凝土的溫度、應(yīng)力及位移，優(yōu)化了冷卻管布置方案。針對(duì)寒冷地區(qū)冬期混凝土施工，提出了暖棚法施工方案，計(jì)算了暖棚的總熱量并確定了煤燃料用量及煤爐數(shù)量。

1 工程概況

臨夏雙城至達(dá)里加（甘青界）公路工程是甘肅省臨夏回族自治州通往青海省循化、西寧的一條重要省際間快速通道。本項(xiàng)目區(qū)氣候處于溫帶半濕潤區(qū)與高寒陰濕區(qū)過渡段，全國公路氣候自然分區(qū)中屬于Ⅲ3（甘東黃土山地區(qū)）。年平均氣溫1.5-4.8℃，極端最高氣溫30℃，極端最低氣溫-28.5℃。土壤平均開始凍土日期11月下旬，平均解凍日期為翌年3月中下旬。雙城特大橋主橋跨越擬建蘭合鐵路，主橋上部結(jié)構(gòu)采用 52+95+52m 變截面連續(xù)箱梁（圖1）。主橋主墩、過渡墩采用群樁承臺(tái)基礎(chǔ)，主墩為空心薄壁墩，過渡墩為板式墩；主橋右幅主墩18#承臺(tái)長12m、寬7.5m、高3m，混凝土標(biāo)號(hào)C30，承臺(tái)底位于原地面以下3.5-4m位置。由于主橋是本項(xiàng)目的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)工程，為保證工程順利實(shí)施，右幅主墩18#承臺(tái)進(jìn)行了冬季施工，保溫采用暖棚內(nèi)生煤爐的方法。

2 水化熱分析

工程所在區(qū)域晝夜溫差大且低溫持續(xù)時(shí)間長，混凝土內(nèi)外溫差大極易導(dǎo)致表面開裂，對(duì)于大體積混凝土施工極為不利。為了準(zhǔn)確掌握混凝土水化熱情況，采用Midas Civil建立有限元模型分析承臺(tái)澆筑混凝土后的3d水化熱的溫度及應(yīng)力分布。科學(xué)布置冷卻管對(duì)大體積混凝土的施工具有重要意義，該模型的冷卻管的初始布置方案如圖2所示，冷卻管分兩層布設(shè)，底層位于承臺(tái)底部以上50cm，頂層距離承臺(tái)頂面以下50cm位置，兩層冷卻管間距為2.0m；冷卻管采用內(nèi)徑50mm、壁厚2.5mm的鋼管。為方便監(jiān)測承臺(tái)內(nèi)部溫度，在澆筑時(shí)預(yù)留10個(gè)Φ10的測溫孔。

2.1 有限元模型的建立

在建模中，如將承臺(tái)地基的支承條件采用彈性支撐，則不能描述混凝土的熱量傳遞給地基，與工程實(shí)際情況不符，因此有必要將承臺(tái)地基視為具有一定比熱和熱傳導(dǎo)率的結(jié)構(gòu)?？紤]到承臺(tái)的對(duì)稱性，故采用取1/4模型進(jìn)行建模和分析能有效地提高計(jì)算效率，最終建立的模型。

2.2 結(jié)果與分析

2.2.1 水化熱溫度

當(dāng)承臺(tái)暖棚內(nèi)溫度為20℃時(shí)，計(jì)算了澆筑5h、10h、12h、1d-3d后混凝土水化熱產(chǎn)生的應(yīng)力?？紤]到該項(xiàng)目處于寒冷地區(qū)且在冬季施工，選用了早強(qiáng)抗凍類型的添加劑，因此在澆筑凝固后的5h產(chǎn)生大量的水化熱，內(nèi)部溫度迅速升高，最大水化熱溫度為49.1℃。從溫度等值線圖可以看出，冷卻鋼管布置初始方案中，頂層、底層鋼管周圍水化熱散熱良好，由于上下層冷卻管間距達(dá)2m，中間水化熱較大，故需根據(jù)實(shí)際情況對(duì)冷卻管方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整即在承臺(tái)中間部位增設(shè)一道冷卻管，最大程度地降低承臺(tái)核心區(qū)域的水化熱溫度，增設(shè)的冷卻管采用矩形鋼管。

普通混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)為1.28W/m.℃，導(dǎo)熱性能較差；且其導(dǎo)熱系數(shù)與材料的干濕狀態(tài)、孔隙率、混凝土中粗骨料的含量及鋼筋含量等因素有關(guān)。鋼板的導(dǎo)熱系數(shù)45W/m.℃，導(dǎo)熱能力是混凝土的35倍。為了加快水化熱在混凝土中的傳導(dǎo)性，在矩形管底部焊接一塊寬20cm、厚3mm的導(dǎo)熱鋼板，增強(qiáng)混凝土的導(dǎo)熱能力，通過管道水流將熱量帶走。導(dǎo)熱鋼板焊接時(shí)需緊貼矩形管壁，為減小冷卻矩形管、導(dǎo)熱鋼板的變形，采用間斷點(diǎn)焊的方法將兩者固定在一起，點(diǎn)焊距離不大于10cm。同時(shí)，為方便矩形鋼管的連接，僅在主管路上焊接導(dǎo)熱板，管路間的連接采用過渡板焊接圓鋼管直角螺絲接頭的方法。各主管路的冷卻矩形鋼管由直角螺絲以圓鋼管連接。為防止施工過程導(dǎo)熱板發(fā)生上浮，用間距為50cm的鋼筋卡扣將其焊接固定在承臺(tái)的豎向架立鋼筋上。

2.2.2 水化熱應(yīng)力與位移

承臺(tái)混凝土水化熱初期溫度最高達(dá)49.1℃，同時(shí)體積發(fā)生膨脹，承臺(tái)長寬比為12/7.5=1.6，受地基及墊層混凝土摩擦力約束，在承臺(tái)長邊位置的基礎(chǔ)底部產(chǎn)生了最大壓應(yīng)力約0.39Mpa；承臺(tái)中心頂面產(chǎn)生0.19Mpa拉應(yīng)力，長邊與短邊相交處頂面發(fā)生最大溫度差位移1.3mm。

長邊的底板在初期給地基壓力，后期收縮產(chǎn)生拉力。由于地基、墊層混凝土與承臺(tái)存在一定的摩擦力作用，使得底板長短邊相交的直角根部處易出現(xiàn)裂紋。為了釋放地基、墊層混凝土對(duì)承臺(tái)長邊的約束，安裝側(cè)模前，在承臺(tái)長邊端頭墊層混凝土上放置雙層油氈隔離層，降低底部的壓應(yīng)力，減小混凝土開裂的風(fēng)險(xiǎn)。油氈的隔離長度以保證承臺(tái)底部接觸地基、墊層混凝土長寬比1.3為宜，承臺(tái)長12m、寬7.5m，則油氈隔離長度L=（12-7.5×1.3）/2=1.1m。為防止?jié)仓炷習(xí)r油氈上浮及偏位，采用鋼釘及墊片將四周固定在墊層混凝土上。

承臺(tái)各階段應(yīng)力、溫度、位移。在混凝土凝固后10h，承臺(tái)中心頂面產(chǎn)生最大拉應(yīng)力0.28Mpa，此時(shí)混凝土強(qiáng)度較小，易在頂面產(chǎn)生裂紋；混凝土凝固后3d，混凝土收縮時(shí)產(chǎn)生拉應(yīng)力等于升溫膨脹產(chǎn)生的壓應(yīng)力（0.28Mpa）處于臨界狀態(tài)，混凝土內(nèi)部不會(huì)因應(yīng)力的不平衡產(chǎn)生裂縫。由此可知，為縮小內(nèi)外溫差，混凝土澆筑完后的3d內(nèi)需加強(qiáng)內(nèi)部冷卻管通水降溫及加強(qiáng)承臺(tái)頂面的養(yǎng)生工作。

3 施工暖棚法熱工計(jì)算

3.1 暖棚耗熱量

承臺(tái)暖棚上尺寸為17.6×13.1m，下尺寸為14×9.5m，基坑深3.6m，基坑周圍為粘土，頂面覆一層厚0.4±0.02mm PVC防雨布。暖棚外大氣環(huán)境溫度Ta取-12.5℃，棚內(nèi)保溫平均溫度Tb取20℃，棚內(nèi)采用煤爐加熱，煤爐采用Φ58×89×0.5cm圓柱形舊鐵油桶制作，油桶從中間一分為二切割，底部以Φ25鋼筋架空20cm，架空部分割孔以利于清除煤渣及進(jìn)空氣，煤爐腔室裝煤凈尺寸為Φ57×22cm。

暖棚在單位時(shí)間內(nèi)的總耗熱量按下列公式計(jì)算：

承臺(tái)基坑四周面積A1=（14+17.6+9.5+13.1）×4.02+（14+7.5）×2=260.9m2，土的傳熱系數(shù)K1取0.93（W/m2.K）?；禹敳縋VC防雨布圍護(hù)面積A2=17.6×13.1=230.6m2，防雨布厚度0.4mm，導(dǎo)熱系數(shù)K2=0.14，其傳熱系數(shù)K2= 1/（0.04+0.0004/0.14+0.114）=6.4（W/m2.K）。通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部位的散熱量之和為Q1，在進(jìn)行本工程計(jì)算時(shí)，Tb=20℃、Ta=-12.5℃，Q1計(jì)算如下：

Q1=∑A×K（Tb-Ta）=（260.9×0.93+230.6×6.4）×[20-（-12.5）]=55851（W）。

通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部位的散熱量之和為Q2，在進(jìn)行本工程計(jì)算時(shí)，Q2計(jì)算如下：

Q2=V×n×Ca×ρa(bǔ)（Tb-Ta）/3.6

=（17.6×13.1+14×9.5）÷2×3.6×2×1×1.37×[20-（-12.5）]/3.6=16188（W）。

則暖棚在單位時(shí)間內(nèi)的總耗熱量：

Q0=Q1+Q2=55851+16188=72039（W）

3.2 煤燃料用量及煤爐數(shù)量配置

經(jīng)過上述計(jì)算，暖棚每小時(shí)內(nèi)的耗熱量為72039W，標(biāo)準(zhǔn)煤的發(fā)熱量為29300KJ/kg，煤爐的熱效率考慮為0.7，煤用量按下式計(jì)算：

Gp=3.6Q0/Rη

式中：Gp-燃料耗用量（kg/h）；Q0-暖棚總耗熱量（W）；η-加熱器效率；R-燃料發(fā)熱量（KJ/kg）。

Gp=3.6Q0η/R=3.6×72039/29300×0.7=12.6kg，經(jīng)過計(jì)算，暖棚每小時(shí)需消耗煤12.6kg，一天需要302.4kg。煤爐腔室凈尺寸為Φ57×22cm，煤的堆積密度為600kg/m3，單個(gè)煤爐裝煤重量G=3.14×（0.57/2）2×0.22×600= 33.7kg，安排專人一天增添三次煤塊，通過計(jì)算，至少需要設(shè)置煤爐個(gè)數(shù)N=302.4/（3×33.7）=3個(gè)，現(xiàn)場實(shí)際施工時(shí)，在承臺(tái)基坑暖棚內(nèi)設(shè)置四個(gè)煤爐，有效保證了暖棚內(nèi)溫度。

4 結(jié)語

本文針對(duì)寒冷地區(qū)雙城特大橋主橋右幅18#大體積混凝土冬期施工，采用Midas有限元軟件分析了混凝土水化熱溫度、應(yīng)力及位移情況，優(yōu)化了冷卻管布置，利用暖棚法進(jìn)行冬期承臺(tái)混凝土的施工等關(guān)鍵技術(shù)，其主要結(jié)論如下：（1）采用Midas有限元進(jìn)行了溫度分析，結(jié)果表明，因兩層冷卻管層間距較大，中間溫度較高，冷卻管效果較差；通過在中間部位增設(shè)一道矩形冷卻管，優(yōu)化了冷卻管布置方案。（2）通過數(shù)值分析表明：長邊的底板初期給地基壓力，后期收縮產(chǎn)生拉力，易在底板長短邊相交的直角根部處產(chǎn)生裂紋，為釋放地基、墊層混凝土對(duì)承臺(tái)長邊的部分約束，在長邊端頭墊層混凝土上放置雙層油氈隔離層；同時(shí)，降低承臺(tái)底部接觸地基、墊層混凝土長寬比（1.6降低為1.3）。（3）暖棚保溫措施持續(xù)3d后，混凝土拉、壓應(yīng)力等效，不會(huì)在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生裂縫，因此混凝土澆筑完后的3d內(nèi)，暖棚保溫、冷卻管降溫及混凝土的養(yǎng)生措施必須落實(shí)到位。（4）針對(duì)承臺(tái)采用暖棚保溫的方案，進(jìn)行了耗熱量、煤燃料用量及保溫煤爐數(shù)量配置相關(guān)計(jì)算，為有效保證暖棚內(nèi)溫度及施工成本控制提供有利的依據(jù)。

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