馮 練， 秦鴻佩

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

關(guān)于大體積混凝土的定義，GB50496-2009《大體積混凝土施工規(guī)范》規(guī)定：實(shí)體最小幾何尺寸不小于1m的大體量混凝土，或預(yù)計(jì)會(huì)因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土稱為大體積混凝土[1]。大體積混凝土構(gòu)件由于體積較大，所以其澆筑時(shí)因水化熱而產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)散發(fā)到空氣中，以致構(gòu)件內(nèi)部溫度不斷增大，造成內(nèi)部與表面的溫度產(chǎn)生差異，從而在內(nèi)部形成壓應(yīng)力，而表面形成拉應(yīng)力。一旦這種溫度差異過(guò)大，就會(huì)導(dǎo)致混凝土表面的溫度拉應(yīng)力超過(guò)本身的容許抗拉強(qiáng)度，從而在結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)裂縫，影響混凝土構(gòu)件的承載能力和耐久性。

針對(duì)大體積混凝土的水化熱特點(diǎn)，很多學(xué)者研究了其溫度應(yīng)力的發(fā)展規(guī)律和控制措施。劉睫等[2]以云南懦扎渡水電站大壩心墻區(qū)墊層大體積混凝土為背景，對(duì)其水化熱過(guò)程進(jìn)行了有限元分析，并通過(guò)布置管冷降低內(nèi)表溫差，避免溫度應(yīng)力對(duì)混凝土構(gòu)件產(chǎn)生不利影響。陳宇[3]在分析公安長(zhǎng)江公鐵兩用特大斜拉橋的S004#承臺(tái)的溫度分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，研究了冷卻水溫度、管距、流量以及水泥品種和用量等多種因素對(duì)大體積混凝土水化熱的影響。

本文通過(guò)模擬某公路橋梁主墩承臺(tái)的澆筑過(guò)程，分析大體積混凝土水化熱產(chǎn)生的溫度及溫度應(yīng)力，并以此指導(dǎo)實(shí)際施工，也為其他大體積混凝土的施工提供參考。

1 工程實(shí)例

某公路橋梁為三跨連續(xù)梁橋，主墩承臺(tái)平面為矩形，其輪廓尺寸為12.4m×9.6m，厚度為4m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。施工過(guò)程中，采用分層澆筑的方法，每層厚度為2m，第一層與第二層混凝土的澆筑間隔時(shí)間為7d。

2 水化熱數(shù)值模擬

分析大體積混凝土的水化熱效應(yīng)，主要涉及到溫度場(chǎng)分析和溫度應(yīng)力分析。溫度場(chǎng)分析主要計(jì)算混凝土澆筑過(guò)程中，水化熱產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)各部分溫度的變化；溫度應(yīng)力分析受溫度場(chǎng)的影響，由于不同部分的溫度不同，導(dǎo)致混凝土構(gòu)件在不同部分產(chǎn)生相應(yīng)的溫度應(yīng)力。對(duì)大體積混凝土施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，就是根據(jù)實(shí)際材料的物理性能和熱力學(xué)性能，以及實(shí)際的對(duì)流條件和有關(guān)養(yǎng)護(hù)措施等，模擬其施工過(guò)程，計(jì)算其溫度場(chǎng)分布和溫度應(yīng)力分布情況。

2.1 混凝土材料特性

承臺(tái)施工所用的混凝土配合比如表1所示。結(jié)合水泥水化熱試驗(yàn)和計(jì)算以及相關(guān)的數(shù)據(jù)資料，得到承臺(tái)和地基對(duì)應(yīng)的材料熱力學(xué)參數(shù)，有關(guān)參數(shù)的數(shù)值參見表2。

表1 承臺(tái)混凝土施工配合比 kg/m3

表2 材料的熱力學(xué)參數(shù)

2.2 對(duì)流邊界條件

施工使用厚度為2cm的木模板，混凝土成型后在其頂面鋪厚度為4cm的草袋進(jìn)行保溫養(yǎng)護(hù)。根據(jù)有關(guān)資料中提供的木模板和草袋的導(dǎo)熱系數(shù)，求得木模板的對(duì)流系數(shù)為25.6kJ/(m2·h·℃)，草袋的對(duì)流系數(shù)為10.9kJ/(m2·h·℃)。

2.3 模型建立

在有限元軟件中，采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元進(jìn)行模型的建立[4]。實(shí)際建模中，忽略了樁基與承臺(tái)之間的熱交換，而只考慮地基對(duì)混凝土水化熱的傳播作用，以此進(jìn)行簡(jiǎn)化。對(duì)于地基的模擬尺寸，取其長(zhǎng)和寬在每側(cè)均超出承臺(tái)邊界2m，厚度為3m。承臺(tái)分兩次澆筑，在定義施工階段時(shí)，按實(shí)際施工逐層激活，第一層與第二層施工間隔期為7d。最終建立的模型中包含8 596個(gè)節(jié)點(diǎn)和8 488個(gè)單元，實(shí)際模型參見圖1。冷卻水管選用φ60mm×4mm的無(wú)縫鋼管，分三層布置，相鄰兩層的路線相互垂直，層間間距和水平間距均為1m，管冷布置示意圖如圖2所示。待第一層混凝土澆筑后，在第一層鋼管中通冷卻水，待第二層混凝土澆筑后，在第二、三層鋼管中通冷卻水，并設(shè)置其溫度為20 ℃，流量為2m3/h,通水時(shí)間為10d。

圖1 模型示意

(a)第一、三層管冷布置示意

(b)第二層管冷布置示意圖2 管冷布置示意

2.4 計(jì)算分析結(jié)果

2.4.1 溫度場(chǎng)分析

為了研究水化熱效應(yīng)的溫度分布規(guī)律，在承臺(tái)的中心和表面分別取代表測(cè)點(diǎn)分析其溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律，模擬測(cè)點(diǎn)的選取參見圖3。

圖3 模擬測(cè)點(diǎn)布置示意

根據(jù)模型計(jì)算得到的溫度最高時(shí)的結(jié)果以及對(duì)應(yīng)混凝土強(qiáng)度發(fā)展的代表性時(shí)間點(diǎn)，提取各層混凝土澆筑完成后的3d、4d、7d和28d的溫度云圖(圖4)。同時(shí)將各模擬測(cè)點(diǎn)的溫度變化情況繪制成圖5所示的溫度歷程。

圖4表明，混凝土內(nèi)部管冷中心位置溫度較周圍區(qū)域溫度更低。并且，隨著離管冷中心的距離增大，溫度逐漸升高，這說(shuō)明離冷卻水管越近的地方，管冷對(duì)其的降溫效果越強(qiáng)。管冷通水結(jié)束后，承臺(tái)的溫度分布呈中心到表面逐漸降低的規(guī)律。總體上看，混凝土內(nèi)部溫度較表面溫度高，且最高溫度出現(xiàn)在11d(即第二層混凝土澆筑完成后4d)時(shí)，其值為41.07 ℃。與最低溫度相減求得最大內(nèi)表溫差為21.07 ℃，低于GB50496-2009《大體積混凝土施工規(guī)范》所要求的“內(nèi)表溫差不能超過(guò)25 ℃”的規(guī)定。

圖5(a)中，測(cè)點(diǎn)1～3的溫度變化曲線在降溫段較測(cè)點(diǎn)1～1和測(cè)點(diǎn)1～2的速率更慢，其原因?yàn)闇y(cè)點(diǎn)1～3離構(gòu)件表面相對(duì)較遠(yuǎn)，所以與空氣的熱傳遞效果不明顯。從圖5各溫度歷程圖可以看出，各測(cè)點(diǎn)溫度數(shù)值雖有差異，但總體趨勢(shì)一致，均為先升后降，且升溫速率較降溫速率高。

2.4.2 溫度應(yīng)力分析

通過(guò)分析承臺(tái)澆筑后溫度達(dá)到最高時(shí)的應(yīng)力云圖，可知拉應(yīng)力較大區(qū)域主要分布在承臺(tái)側(cè)面中部偏下的位置和頂面四條棱的中部，為此主要研究圖6所標(biāo)注的測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化規(guī)律，并與其對(duì)應(yīng)各時(shí)期的容許抗拉強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比。將各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力和容許抗拉強(qiáng)度變化曲線繪制于同一坐標(biāo)系中(圖7)。

圖7表明，溫度應(yīng)力的變化規(guī)律與溫度變化規(guī)律相似，均是先升高后緩慢降低，說(shuō)明溫度應(yīng)力的變化與溫度變化是同步的。通過(guò)對(duì)比各圖中的溫度應(yīng)力和容許抗拉強(qiáng)度曲線可知，承臺(tái)澆筑過(guò)程中，較大拉應(yīng)力位置處的實(shí)際應(yīng)力均低于各時(shí)期對(duì)應(yīng)的混凝土容許抗拉強(qiáng)度，因而溫度應(yīng)力不會(huì)導(dǎo)致承臺(tái)出現(xiàn)裂縫。圖7(a)、圖7(d)中，測(cè)點(diǎn)實(shí)際的溫度應(yīng)力出現(xiàn)了兩次較大幅度地增長(zhǎng)，這是因?yàn)榈诙踊炷翝仓螅渌療岙a(chǎn)生的熱量會(huì)影響第一層混凝土的溫度場(chǎng)，從而促使第一層混凝土的溫度應(yīng)力有較大幅度地增長(zhǎng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

在實(shí)際工程背景下，分析承臺(tái)大體積混凝土施工過(guò)程中的水化熱，得出結(jié)論如下：

(1)承臺(tái)施工過(guò)程中，其溫度變化趨勢(shì)為先升后降，且升溫速率高于降溫速率，其中心溫度峰值出現(xiàn)在各層混凝土澆筑完成后的第4d。

(2)結(jié)合有限元分析結(jié)果可知，承臺(tái)最大內(nèi)表溫差滿足GB50496-2009《大體積混凝土施工規(guī)范》規(guī)定的低于25 ℃的要求。

(a)3d溫度分布云圖

(b)4d溫度云圖

(c)7d溫度云圖

(d)10d(第二層澆筑3d)溫度云圖

(e)11d(第二層澆筑4d)溫度云圖

(f)14d(第二層澆筑7d)溫度云圖

(g)28d溫度云圖

(h)35d(第二層澆筑28d)溫度云圖

(a)測(cè)點(diǎn)1-1、1-2、1-3的溫度歷程

(b)測(cè)點(diǎn)1-4、1-5的溫度歷程

(c)測(cè)點(diǎn)2-1、2-2、2-3的溫度歷程

(d)測(cè)點(diǎn)2-4、2-5的溫度歷程

圖6 溫度最高時(shí)應(yīng)力分布云圖

(3)溫度拉應(yīng)力較大區(qū)域主要分布在承臺(tái)頂面四邊的中部和側(cè)面的中下部，其數(shù)值均比混凝土對(duì)應(yīng)齡期的容許抗拉強(qiáng)度小，拉應(yīng)力滿足材料強(qiáng)度的要求。

(4)為了避免承臺(tái)出現(xiàn)溫度裂縫，在實(shí)際施工中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)溫度拉應(yīng)力較大區(qū)域的保溫養(yǎng)護(hù)，避免出現(xiàn)內(nèi)表溫差過(guò)大的情況，以確保承臺(tái)的安全性和耐久性。

(a)1號(hào)測(cè)點(diǎn)

(b)2號(hào)測(cè)點(diǎn)

(c)3號(hào)測(cè)點(diǎn)

(d)4號(hào)測(cè)點(diǎn)