艾建杰,羅清波,蔡海燕,馮曉新

(西南科技大學(xué)城市學(xué)院,四川 綿陽 621000)

近年來,隨著我國橋梁工程建設(shè)的不斷發(fā)展和壯大,大跨徑橋梁越來越多地出現(xiàn)在工程實(shí)踐項(xiàng)目中,因而大體積混凝土的橋墩臺和蓋板更多地使用。大體積混凝土的散熱及其溫度裂縫問題成為相關(guān)學(xué)者和工程技術(shù)人員日益關(guān)注的問題[1]。對于整體一次性澆筑的大體積混凝土構(gòu)件,由于水泥和水的水化作用而釋放大量的熱,熱量在構(gòu)件內(nèi)部短時(shí)間集聚,造成混凝土內(nèi)部溫度升高,在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力,而在外部產(chǎn)生拉應(yīng)力,當(dāng)溫度超過一定的限值,拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度,最終使得混凝土構(gòu)件產(chǎn)生溫度裂縫,影響結(jié)構(gòu)的耐久性和整體質(zhì)量[2]。因此,深入研究橋梁墩臺大體積混凝土水化熱和溫控技術(shù)能夠解決工程實(shí)際問題,避免產(chǎn)生溫度裂縫,有助于提高結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量和耐久性[3]。當(dāng)前有關(guān)學(xué)者研究了水冷降溫對結(jié)構(gòu)溫度控制的影響[4-5];也有學(xué)者通過對比分析確定了當(dāng)降溫效果達(dá)到規(guī)范允許值時(shí)的部分水冷參數(shù)[6-8];還有部分學(xué)者通過研究和試驗(yàn),提出了風(fēng)冷降溫的新措施[10],并將其與傳統(tǒng)水冷進(jìn)行優(yōu)劣對比。在此基礎(chǔ)之上,以下介紹依托工程水冷控溫的實(shí)施方案,并且利用有限元數(shù)值模擬計(jì)算方法,討論水冷控溫方案中流速、降溫時(shí)間和初始水溫等參數(shù)對水冷降溫效果的影響程度,確定最優(yōu)參數(shù)值,最后利用依托工程的監(jiān)測數(shù)據(jù),驗(yàn)證數(shù)值模擬確定的參數(shù)大小,為后續(xù)類似的大體積混凝土橋梁墩臺施工提供參考。

1 工程概述

沮河特大橋主橋上部為2×(62.3+4×115+62.3) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu),橋梁總體布置如圖1所示。主墩承臺厚度均為4.5 m,平面尺寸為25.7 m×13.2 m(橫橋向×縱橋向),下設(shè)9Φ1.7 m摩擦樁,混凝土強(qiáng)度等級為C35。單個(gè)主墩承臺混凝土量達(dá)1 527 m3,屬于大體積混凝土構(gòu)件,澆筑時(shí)必須對混凝土進(jìn)行溫度控制,以保證承臺的施工質(zhì)量。

2 主墩承臺溫控設(shè)計(jì)

2.1 混凝土的配合比

大體積混凝土的熱量主要來自水化作用過程中釋放的能量,因此,在滿足強(qiáng)度要求的前提下,最大程度的控制水泥用量,使用低熱高質(zhì)的水泥是解決這一問題的關(guān)鍵。研究采用依托工程項(xiàng)目試驗(yàn)室提供的混凝土配合比,具體參數(shù)見表1。

圖1 沮河特大橋橋型布置(單位:cm)

表1 主墩承臺混凝土配合比設(shè)計(jì)

2.2 冷水管的布置形式

為了最大程度降低主墩承臺混凝土內(nèi)部溫度,根據(jù)依托工程采取的冷水管布設(shè)方案,在承臺混凝土內(nèi)布置上下4層冷卻水管,分別為C1、C2、C3、C4,水管直徑為0.05 m,具體布置形式如圖2、圖3所示。

圖2 管道平面布置(單位:cm)

2.3 控制參數(shù)

現(xiàn)場監(jiān)測中,選取了流速、時(shí)間和初始溫度這3個(gè)關(guān)鍵性的參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

(1) 流速 在主墩承臺大體積混凝土澆筑的過程中,現(xiàn)場用水泵抽水作為冷卻用水,通過增壓泵向管道中注水,同時(shí)調(diào)節(jié)增壓泵功率大小可以控制水管中冷卻水的流速。通過測試,當(dāng)增壓泵功率最小時(shí),冷卻水流速在0.5 m/s左右；當(dāng)增壓泵調(diào)到最大功率時(shí),冷卻水流速在1.5 m/s左右。因此研究選取0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s 3個(gè)不同流速進(jìn)行分析研究,觀察不同流速對混凝土降溫效果是否相同。

(2) 降溫時(shí)間 通過閱讀文獻(xiàn)、收集資料和工地調(diào)研發(fā)現(xiàn),針對大體積混凝土施工中的水冷降溫過程,工程實(shí)際中通常采取降溫14 d作為一個(gè)周期。但不同體積、不同配合比設(shè)計(jì)的大體積混凝土是否都適合14 d這樣一個(gè)降溫周期,還有待分析。

圖3 管道立面布置(單位:cm)

以沮河大橋主墩承臺為例,研究其降溫周期是否可以縮短,在保證效果的同時(shí),節(jié)約人力物力財(cái)力,為縮短工期提供參考。

(3) 初始水溫 在保持冷卻水管的直徑和流速不變的情況下,改變冷卻水的初始溫度,使不同初始溫度的水經(jīng)過管道然后流出,對比冷卻水初始溫度改變前后的混凝土內(nèi)部溫度場的變化情況,分析冷卻水的初始溫度對混凝土內(nèi)溫度場變化的影響情況。由于施工季節(jié)天氣已經(jīng)逐漸轉(zhuǎn)熱,正常水溫在15 ℃左右,按照就地取材的原則,我們分別選取15 ℃、10 ℃ 2種水溫進(jìn)行分析。

3 工程算例

為了使現(xiàn)場監(jiān)測的數(shù)據(jù)更有說服力,通過合理假設(shè)邊界條件,利用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,以期驗(yàn)證實(shí)測數(shù)據(jù)得到的結(jié)果。

3.1 有限元計(jì)算模型

利用有限元軟件MIDAS Civil對沮河大橋主墩承臺進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,計(jì)算的關(guān)鍵在于邊界條件的確定和水管路線的模擬。考慮到在準(zhǔn)備澆筑承臺時(shí),樁基礎(chǔ)已經(jīng)完成,混凝土齡期相差較大,而且混凝土的導(dǎo)熱能力較差,因此近似假設(shè)承臺底部與樁基礎(chǔ)之間沒有熱量交換。側(cè)面由于模板的阻斷,同樣近似認(rèn)為承臺側(cè)面與空氣是沒有熱交換的。因此在承臺底面和側(cè)面施加絕熱邊界條件,頂面與空氣接觸的部分施加對流邊界條件,同時(shí)底面按照墩臺固接處理。其他環(huán)境條件按照實(shí)際條件進(jìn)行模擬,考慮混凝土的收縮徐變,模型共建立了29 025個(gè)節(jié)點(diǎn)、23 626個(gè)實(shí)體單元,模型中冷卻水管的布設(shè)嚴(yán)格按照圖2、圖3的施工示意圖進(jìn)行定位布置,采用常見的熱交換進(jìn)行模擬,計(jì)算承臺澆筑混凝土?xí)r冷水管線路與混凝土內(nèi)部的熱交換,從而得出混凝土內(nèi)部溫度場隨著時(shí)間的變化過程。

3.2 現(xiàn)場監(jiān)測方案

該連續(xù)剛構(gòu)橋一共有5個(gè)同尺寸的主墩承臺,而且施工時(shí)間相對集中,外界環(huán)境溫度變化在短時(shí)間相對穩(wěn)定,其中3個(gè)承臺分別利用初始溫度為15 ℃的冷卻水進(jìn)行混凝土內(nèi)部降溫,水的流速分別為0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s。另外2個(gè)承臺分別利用初始溫度為10 ℃的冷卻水進(jìn)行混凝土內(nèi)部降溫,水的流速分別為0.5 m/s、1.0 m/s。承臺平面尺寸為25.7 m×13.2 m,厚4.5 m。承臺內(nèi)布置4層冷卻水管,水管沿Z軸方向的間距是1 m。由于結(jié)構(gòu)是一個(gè)規(guī)則形狀,在承臺內(nèi)的2個(gè)對稱面的交線上布置溫度傳感器,而且溫度傳感器豎向布置在承臺內(nèi)相鄰的2層水管中間。一共布置6個(gè)溫度傳感器用于收集混凝土內(nèi)部的溫度場數(shù)據(jù)。

4 實(shí)測值與計(jì)算值的對比

通過數(shù)值模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn),不同參數(shù)條件下,溫度理論峰值點(diǎn)均出現(xiàn)在冷卻水管C2與C3之間的平面中心附近,在z軸方向略靠近C3冷卻管,與我們布設(shè)溫度傳感器的位置并非絕對重合,但是二者之間的距離僅為10 cm,因此近似認(rèn)為二者相吻合,不考慮二者之間由于位置誤差帶來的溫度值誤差。

4.1 最佳流速的確定

根據(jù)有限元軟件計(jì)算出來的結(jié)果,選取前述位置局部單元模型溫度值來描述承臺溫度場變化規(guī)律,其變化規(guī)律如圖4所示。根據(jù)實(shí)測值,繪制不同流速變化對承臺溫度場的影響情況的折線圖,如圖5所示。通過對比分析二者差異,得出結(jié)論。

由圖4和圖5可知,冷卻水不同流速對承臺溫度場影響情況在不同階段有不同特征,根據(jù)圖4、圖5的變化趨勢,將混凝土承臺溫度場變化分為3個(gè)階段,溫度峰值出現(xiàn)以前稱為升溫階段,峰值至較平緩降溫階段稱為降溫階段,剩下稱為平緩階段。

圖4 不同流速對承臺溫度場的影響情況(理論值)

圖5 不同流速對承臺溫度場的影響情況(實(shí)測值)

在升溫階段,圖4、圖5表現(xiàn)出來的變化規(guī)律基本相同,溫度在短時(shí)間內(nèi)上升,隨著時(shí)間的推移,溫度上升速度也逐漸降低,最終到達(dá)峰值,這一階段持續(xù)的時(shí)間主要在澆筑混凝土后的3天左右,在此階段,將冷卻水的流速從0.5 m/s提高到1.5 m/s對混凝土內(nèi)部降溫并沒有明顯的效果,因此在此階段可以適當(dāng)?shù)墓?jié)約成本。

在降溫階段,不同流速對混凝土內(nèi)部溫度場的影響有明顯的差異。當(dāng)冷卻水的流速從0.5 m/s提高到1.5 m/s時(shí),混凝土內(nèi)部溫度的峰值呈現(xiàn)出降低的趨勢,最大差值2.7 ℃,說明提高流速有利于控制大體積混凝土內(nèi)部溫度的最大值。同時(shí),通過圖4和圖5可以看出在降溫階段,3條曲線呈現(xiàn)出明顯的差異。在同一天,冷卻水的流速越高,混凝土內(nèi)部溫度越低,即混凝土溫度下降速度隨著流速的增大而加快。讓混凝土內(nèi)部降低到同一溫度,提高流速能夠縮短所需要的降溫時(shí)間。降溫階段,提高冷卻管流水速度有利于混凝土內(nèi)部溫度的降低。

在第8～10 d,3條曲線逐漸相交,變化規(guī)律基本趨于相同,逐漸進(jìn)入平緩階段,在一定范圍內(nèi)發(fā)生較小的波動。同升溫階段一樣,此時(shí)將冷卻水的流速從0.5 m/s提高到1.5 m/s對混凝土內(nèi)部降溫并沒有明顯的效果,實(shí)際意義不大。

根據(jù)規(guī)范要求,控制混凝土內(nèi)部最高溫度不超過65 ℃,因此,在主墩承臺大體積混凝土水冷降溫的過程中,可以在澆筑混凝土后的1～2 d采用0.5 m/s的冷卻水,然后使用1.5 m/s冷卻水持續(xù)降溫7 d左右,經(jīng)過降溫階段以后,再采用0.5 m/s的冷卻水進(jìn)行降溫。

4.2 初始水溫對混凝土內(nèi)部溫度場的影響

在保持冷卻水管直徑和冷卻水流速不變的情況下,改變冷卻水的初始溫度,混凝土內(nèi)部溫度場的變化規(guī)律如圖6所示,與改變流速時(shí)的變化規(guī)律類似,可以分為3個(gè)階段,但是改變初始溫度溫度場的變化情況更明顯,即混凝土內(nèi)部溫度場變化情況對初始溫度更敏感一些。當(dāng)初始溫度由15 ℃降為10 ℃時(shí),混凝土內(nèi)部溫度峰值由60.5 ℃降為58 ℃,說明降低冷卻水的初始溫度能夠有效降低混凝土內(nèi)部溫度的最大值。具體溫度值變化情況如表2所列。

圖6 不同初始溫度對承臺溫度場的影響

在降溫階段,隨著初始溫度由15 ℃降為10 ℃,混凝土內(nèi)部溫度冷卻速率明顯加快,而且越到冷卻后期,冷卻效果差異越大。降低初始溫度這種方法可以縮短冷卻時(shí)間,如果條件允許,在對大體積混凝土內(nèi)部水化熱溫度降溫時(shí),可以采用這種方法,但考慮到給冷卻水降溫的成本,需要進(jìn)一步的研究和細(xì)化。

表2 不同初始溫度下沮河特大橋承臺溫度值統(tǒng)計(jì)

4.3 冷卻管降溫時(shí)間分析

目前,大體積混凝土冷卻水降溫的周期通常設(shè)置為14 d。通過圖4～圖6可以得出,在混凝土內(nèi)部溫度經(jīng)過峰值以后,無論是改變冷卻水流速,還是改變進(jìn)水口水溫,曲線均會逐漸進(jìn)入平緩階段,進(jìn)入平緩階段的時(shí)間在澆筑混凝土后第8～10 d的區(qū)間范圍內(nèi)。因此,實(shí)際控溫過程中,冷卻水降溫的時(shí)間應(yīng)不少于10 d,才能大幅降低因溫度應(yīng)力引起混凝土開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論

針對沮河特大橋主墩承臺大體積混凝土,利用有限元軟件對承臺澆筑后的水化熱溫度場進(jìn)行模擬計(jì)算,考慮冷卻水流速、降溫時(shí)間和初始溫度對承臺水化熱溫度場的影響情況,并通過實(shí)測數(shù)據(jù)對比分析,得出以下結(jié)論:

(1) 在主墩承臺大體積混凝土水化熱降溫的過程中,可以在澆筑混凝土后的1～2 d采用0.5 m/s的冷卻水降溫,然后使用1.5 m/s冷卻水持續(xù)降溫7 d左右,經(jīng)過降溫階段以后,再采用0.5 m/s的冷卻水進(jìn)行降溫。

(2) 降低冷卻水初始溫度和增大冷卻水的流速均可以有效降低混凝土內(nèi)部水化熱的峰值溫度,從而使峰值溫度控制在規(guī)范要求的范圍內(nèi)。

(3) 大體積混凝土水化熱控溫過程中,冷卻水降溫的時(shí)間應(yīng)不少于10 d。

(4) 在降溫階段,隨著初始溫度的適當(dāng)降低,混凝土內(nèi)部溫度冷卻速率明顯加快,而且越到冷卻后期,降溫效果越明顯,從而有效降低承臺混凝土在溫度應(yīng)力作用下開裂的風(fēng)險(xiǎn)。