王文學,李元兵

（1.浙江寧波舟山港主通道工程建設(shè)指揮部，浙江 寧波 316000;2.上海同濟檢測技術(shù)有限公司,上海市 200092）

0 引言

今年來，橋梁結(jié)構(gòu)中大體積混凝土構(gòu)件出現(xiàn)愈來愈明顯，在超高層建筑與水利大壩等工程領(lǐng)域此類大體積甚至超大體積混凝土結(jié)構(gòu)也呈逐步增多趨勢。此類工程結(jié)構(gòu)對混凝土強度要求較嚴格，且尺寸大、熱阻大、單位體積混凝土中水泥量較多，水泥的水化熱聚集在混凝土內(nèi)部不易傳遞和散發(fā)，而表面散熱較快，這導(dǎo)致混凝土內(nèi)部和表面形成較大的溫差并產(chǎn)生較為明顯的拉應(yīng)力，一旦拉應(yīng)力超過混凝土的當齡期抗拉強度，就會在混凝土表面產(chǎn)生大量的裂縫，進一步演化極易發(fā)展成深層裂縫或貫穿性裂縫，破壞結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性，甚至危及承臺的安全[1]。既有研究結(jié)果表明[2]，因水化熱導(dǎo)致的溫度應(yīng)力裂縫控制是斜拉橋橋塔承臺大體積混凝土澆筑的關(guān)鍵，可通過優(yōu)化混凝土配合比（從緩凝劑和膠凝材料比例的優(yōu)選兩方面開展）、制備低水化熱溫升和較高抗拉強度的混凝土，進行凝結(jié)時間、工作性、力學性能、絕熱溫升和耐久性試驗，制定現(xiàn)場混凝土溫控防裂措施等等，提高混凝土的抗裂阻裂能力，有效防止裂縫的產(chǎn)生。

本文以某斜拉橋橋塔承臺大體積混凝土為工程背景，通過數(shù)值仿真分析研究探討了大體積混凝土水化熱階段承臺結(jié)構(gòu)的溫度場及應(yīng)力場分布情況，比較分析了各類溫度應(yīng)力裂縫措施的溫控效果，以期為此類工程結(jié)構(gòu)大體積甚至超大體積混凝土施工提供一定的技術(shù)支撐與數(shù)據(jù)積累。

1 工程概況

某斜拉橋橋塔承臺采用C40混凝土建造，承臺高5 m，外輪廓為50 m×26 m。承臺下設(shè)C30混凝土墊層，墊層高1.5 m。承臺與墊層的構(gòu)造見圖1。為比對分析，采取了不同混凝土級配、不同水泥品種、不同分層澆筑方式，詳細方案見表1、表2。

承臺混凝土中布設(shè)冷卻水管，冷卻管中自澆筑混凝土時即通冷水，冷卻水管采用φ48×3.5 mm熱傳導(dǎo)性能好的Q235C鋼管，依據(jù)不同澆筑方案分別設(shè)置4層或5層，上、下及左、右間距均為1 m，距承臺邊緣的最小距離不小于0.5 m，冷水管典型布置見圖2。每層冷水管設(shè)4個進水口、4個出水口；單個冷水管的流量不小于50 L/min=3 m3/h，水流速度約為0.57 m/s；進水溫度為15℃（澆筑混凝土后第1天）、25℃（第2天）和30℃（第3～14天）；混凝土的入模溫度取20℃；各層混凝土澆筑間歇時間應(yīng)控制在7 d以內(nèi)，選取間隔為4 d；帶模蓄水養(yǎng)護時間14 d；土工布厚度不小于4 mm。溫度控制標準如下：（1）混凝土澆筑體在入模溫度基礎(chǔ)上的溫升值不大于50℃；（2）承臺混凝土內(nèi)、外部溫差不大于25℃；（3）混凝土澆筑體表面與大氣溫差不大于20℃；（4）混凝土澆筑體的降溫速率不大于2.0℃/d；（5）混凝土中最大主拉應(yīng)力不大于允許應(yīng)力=混凝土當前齡期的劈裂抗拉強度/1.4。

圖1 某斜拉橋橋塔承臺構(gòu)造圖（單位：m）

表1 承臺不同混凝土級配、不同水泥品種

表2 不同分層澆筑方式

圖2 冷水管典型布置圖（單位：mm）

2 數(shù)值仿真分析方法

2.1 混凝土熱工參數(shù)計算

混凝土的熱工參數(shù)計算公式與取值主要依據(jù)《市政工程施工計算實用手冊》[3]?；炷恋膶?dǎo)熱系數(shù)λ、比熱容c分別根據(jù)各組成成分的質(zhì)量百分比、比熱容按照加權(quán)平均法計算；混凝土的導(dǎo)溫系數(shù)按α=λ/（c·ρ）計算，其中混凝土的密度ρ按照石子的最大粒徑估算新拌混凝土的密度。假定結(jié)構(gòu)物四周沒有任何散熱與熱損失條件，水泥水化熱全部轉(zhuǎn)化為混凝土的溫度上升，則混凝土澆筑完成時間t后的絕熱溫升可按Tω=mcQ（1-e-mt）/（c·ρ）計算，最大絕熱溫升可按Tmax=mcQ/（c·ρ）計算。其中mc每立方米混凝土的水泥用量；Q單位質(zhì)量水泥的水化熱量，根據(jù)水泥品種按試驗值取用；m經(jīng)驗系數(shù)（1/d），參考潘育耕、朱柏芳等人[4-5]的試驗研究結(jié)果及《水運工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術(shù)規(guī)程》[6]，普通硅酸鹽水泥取0.9，低熱水泥取0.34。預(yù)計承臺施工現(xiàn)場的溫度為白天33℃～38℃、夜間16℃～20℃，施工現(xiàn)場預(yù)估溫度的平均值取26℃；溫度波動幅值取9℃，氣溫的日變化通常可用余弦或正弦公式表示。施工現(xiàn)場風速影響結(jié)構(gòu)的散熱，由于施工現(xiàn)場無實測風速數(shù)據(jù)，計算時按照成都市的氣象資料取值為1.25 m/s，承臺混凝土在施工時，混凝土表面的模板與保溫材料對其散熱效果有較大影響。混凝土表面通過保溫層向周圍介質(zhì)放熱的等效放熱系數(shù)（對流系數(shù)）βs可按式（1）計算：

式中：β為空氣層傳熱系數(shù)，取11.73 W/（m2·K）；hi和λi分別為第i層保溫材料厚度、導(dǎo)熱系數(shù)。

水化熱分析中需考慮土體的傳熱、散熱以及力學上的錨固作用，土體的物理參數(shù)按表3取用。

表3 基礎(chǔ)土體的物理參數(shù)

2.2 數(shù)值分析模型

采用Midas Civil和ANSYS軟件建立有限元實體單元模型進行水化熱分析。由于土體也是熱傳導(dǎo)介質(zhì)，且距離承臺一定距離后，土體溫度等于環(huán)境溫度。有限元分析時考慮與結(jié)構(gòu)尺寸相近的土體，見圖3（圖中為全部模型的1/4）。有限元模型中共88 224個單元，其中，C40混凝土34 080個單元，C30混凝土10 224個單元，基礎(chǔ)43 920個單元。

圖3 承臺水化熱分析有限元模型示意圖

3 結(jié)果分析與討論

3.1 溫度場分析

圖4、圖5分別為不同混凝土級配、不同水泥品種、不同分層澆筑方式的承臺混凝土前期水化放熱產(chǎn)生的溫度場變化云圖和混凝土內(nèi)、外溫差分布。結(jié)果表明：大體積混凝土水化放熱階段溫度變化非常顯著，普通硅酸鹽水泥混凝土內(nèi)部溫度一般在澆筑3～4 d后達到最高；表面溫度一般在澆筑3 d后達到第一次峰值、6 d達到第二次峰值；內(nèi)、外部溫差在澆筑4 d后達到最大隨后穩(wěn)步下降。而低熱水泥混凝土內(nèi)部溫度一般在澆筑5 d后達到最高，表面溫度一般在澆筑8 d后最高，內(nèi)、外部溫差在澆筑混凝土8 d后達到最大。同時，混凝土的水泥及粉煤灰含量對放熱效應(yīng)影響最為顯著，水泥含量越高、粉煤灰含量越低，放熱效應(yīng)越明顯，內(nèi)、外部溫差越大；相比較而言，相同級配及分層澆筑方式下，低熱水泥混凝土的最大溫升、內(nèi)外溫差和混凝土表層溫度均較普通硅酸鹽水泥有所降低，溫控效果較明顯。

3.2 應(yīng)力場分析

圖6為不同混凝土級配、不同水泥品種、不同分層澆筑方式的承臺混凝土前期水化放熱產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力。結(jié)果表明：在混凝土養(yǎng)護的早期，主拉應(yīng)力最大的部位在散熱最快的倒角位置；隨著混凝土進一步釋放水化熱，主拉應(yīng)力最大的部位轉(zhuǎn)移到上表面，并在與混凝土邊緣平行位置呈帶狀分布?；炷了艧犭A段應(yīng)力變化極為顯著，普通硅酸鹽水泥混凝土最大拉應(yīng)力澆筑3～4 d達到峰值，而低熱水泥混凝土在澆筑7 d達到峰值。在承臺倒角斜面內(nèi)及冷水管的空當部位拉應(yīng)力集中現(xiàn)象非常明顯，極易超過允許拉應(yīng)力，從而產(chǎn)生表面裂縫，現(xiàn)場可通過優(yōu)化混凝土配合比、控制混凝土入模溫度、增加表層混凝土保溫措施、控制混凝土的澆筑間隔與分層厚度、調(diào)節(jié)通水時間、控制進水流量與溫度、延緩帶模蓄水養(yǎng)護時間等措施來有效防止。

4 結(jié)論

本文以某斜拉橋橋塔承臺大體積混凝土為工程背景，通過數(shù)值仿真分析研究探討了大體積混凝土水化熱階段承臺結(jié)構(gòu)的溫度場及應(yīng)力場分布情況，獲得結(jié)論如下：

（1）大體積混凝土水化放熱階段溫度變化非常顯著，普通硅酸鹽水泥混凝土內(nèi)部溫度一般在澆筑3～4 d后達到最高；表面溫度一般在澆筑3 d后達到第一次峰值、6 d達到第二次峰值；內(nèi)、外部溫差在澆筑4 d后達到最大隨后穩(wěn)步下降。而低熱水泥混凝土內(nèi)部溫度一般在澆筑5 d后達到最高，表面溫度一般在澆筑8 d后最高，內(nèi)、外部溫差在澆筑混凝土8 d后達到最大。

圖4 承臺混凝土澆筑前期（1～6 d）各分層溫度變化云圖（℃）

圖5 承臺混凝土澆筑前期（1～14 d）內(nèi)、外溫差

圖6 承臺混凝土澆筑前期（1～14 d）內(nèi)、外溫差

（2）混凝土的水泥及粉煤灰含量對放熱效應(yīng)影響最為顯著，水泥含量越高、粉煤灰含量越低，放熱效應(yīng)越明顯，內(nèi)、外部溫差越大；相比較而言，相同級配及分層澆筑方式下，低熱水泥混凝土的最大溫升、內(nèi)外溫差和混凝土表層溫度均較普通硅酸鹽水泥有所降低，溫控效果較明顯。

（3）在混凝土養(yǎng)護的早期，主拉應(yīng)力最大的部位在散熱最快的倒角位置；隨著混凝土進一步釋放水化熱，主拉應(yīng)力最大的部位轉(zhuǎn)移到上表面，并在與混凝土邊緣平行位置呈帶狀分布?；炷了艧犭A段應(yīng)力變化極為顯著，普通硅酸鹽水泥混凝土最大拉應(yīng)力澆筑3～4 d達到峰值，而低熱水泥混凝土在澆筑7 d達到峰值。

（4）在承臺倒角斜面內(nèi)及冷水管的空當部位拉應(yīng)力集中現(xiàn)象非常明顯，極易超過允許拉應(yīng)力，從而產(chǎn)生表面裂縫。施工現(xiàn)場可通過優(yōu)化混凝土配合比、控制混凝土入模溫度、增加表層混凝土保溫措施、控制混凝土的澆筑間隔與分層厚度、調(diào)節(jié)通水時間、控制進水流量與溫度、延緩帶模蓄水養(yǎng)護時間等措施來有效防止。