任士樸、姜勇、商淑杰、于新波
(1.山東華鑒工程檢測(cè)有限公司,山東 濟(jì)南250100;2.山東省橋梁結(jié)構(gòu)智能養(yǎng)護(hù)檢測(cè)與安全性評(píng)估研發(fā)中心,山東 濟(jì)南250100;3.山東高速基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有限公司,山東 濟(jì)南250100)
現(xiàn)階段我國(guó)的經(jīng)濟(jì)逐年增長(zhǎng),交通量日益增加,為了更好地滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的生活需要,越來(lái)越多的大型橋梁開(kāi)始投入使用,在這個(gè)過(guò)程中,必然會(huì)出現(xiàn)很多大體積混凝土結(jié)構(gòu)來(lái)支撐大型橋梁的正常運(yùn)營(yíng),但在大體積混凝土施工后,混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了很多的裂縫,此種裂縫的產(chǎn)生會(huì)引起鋼筋銹蝕、混凝土碳化,降低混凝土的抗凍融、抗疲勞以及抗?jié)B性等,進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的耐久性。本文通過(guò)利用有限元軟件對(duì)混凝土出現(xiàn)裂縫的原因進(jìn)行分析,對(duì)防止裂縫出現(xiàn)的措施做出相應(yīng)的解釋?zhuān)?duì)今后的施工過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題做出較詳細(xì)的解釋說(shuō)明。
此次項(xiàng)目是一座跨越黃河的大橋,主跨超過(guò)1000m,研究的重點(diǎn)為該橋梁的承臺(tái)結(jié)構(gòu)。該黃河大橋兩側(cè)承臺(tái)在混凝土澆筑時(shí)模板采用定型鋼模板,使用方木和鋼管進(jìn)行加固支撐,承臺(tái)分兩次澆筑,第一次澆筑1.5m高,分層進(jìn)行澆筑混凝土,每層厚度控制在30cm。承臺(tái)的基本尺寸為15m×8m×4m。
由于該承臺(tái)在施工之前并未做相應(yīng)的熱學(xué)試驗(yàn),所以,只能根據(jù)混凝土的配合比對(duì)基本熱學(xué)參數(shù)做出經(jīng)驗(yàn)性估計(jì),該承臺(tái)單位體積混凝土基本組成成分為425#普通硅酸鹽水泥282kg,粉煤灰95kg,砂子747kg,石子1120kg,添加劑3.8kg,水154kg,根據(jù)以上參數(shù),《大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制》(第二版)(朱伯芳2012))對(duì)相應(yīng)參數(shù)的計(jì)算,可以得到混凝土的基本熱學(xué)性能參數(shù),(見(jiàn)表1)。
表1 混凝土的基本熱學(xué)性能參數(shù)
并且根據(jù)《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》(GB50496—2018)中規(guī)定,在施工過(guò)程中,必須控制混凝土的溫升、里表溫差,降溫速率以及表面溫差等參數(shù)不超過(guò)表2規(guī)定的范圍。
表2 降溫速率以及表面溫差參數(shù)
因此,為了防止大體積混凝土結(jié)構(gòu)由于內(nèi)外部溫差產(chǎn)生裂縫,對(duì)混凝土澆筑過(guò)程中及澆筑完成后進(jìn)行合理的溫度場(chǎng)模擬是十分必要的。
3.1.1 在混凝土澆筑之前,根據(jù)提供的原材料的基本參數(shù)情況,結(jié)合有限元計(jì)算軟件,建立承臺(tái)(大體積混凝土)的計(jì)算模型,得到該承臺(tái)結(jié)構(gòu)在使用該類(lèi)材料配比時(shí),內(nèi)外部的溫度變化情況,以及應(yīng)力場(chǎng)隨著時(shí)間的變化情況。
3.1.2 根據(jù)初步模擬計(jì)算分析的成果,對(duì)原材料的選取進(jìn)行初步的擬定,根據(jù)實(shí)際情況編寫(xiě)溫度控制方案及原材進(jìn)場(chǎng)方案。
3.1.3 當(dāng)材料選定之后,根據(jù)實(shí)際的材料配比,并進(jìn)行相應(yīng)的熱學(xué)參數(shù)試驗(yàn),能夠更好為計(jì)算模型提供準(zhǔn)確的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn),依據(jù)最終的試驗(yàn)成果,對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整,進(jìn)而得到更符合實(shí)際情況的模擬結(jié)果。
3.1.4 根據(jù)調(diào)整后的有限元分析結(jié)果,再次了解各工況下的內(nèi)外溫差和應(yīng)力場(chǎng)的分布情況,是否進(jìn)行分層澆筑,是否需要增設(shè)水冷管,再進(jìn)行相應(yīng)的模擬計(jì)算,并對(duì)施工方案進(jìn)行再次的修改確認(rèn)。
3.1.5 正式的施工開(kāi)始后,由于施工過(guò)程中會(huì)遇到各種不確定的因素,各種原有的假設(shè)及施工流程都會(huì)發(fā)生變化,這時(shí)需要技術(shù)人員隨時(shí)根據(jù)實(shí)際的施工工序及狀況及時(shí)更新有限元分析模型,得到最接近實(shí)際情況的溫度場(chǎng)模型,以便后期的施工開(kāi)展[1]。
3.1.6 對(duì)承臺(tái)結(jié)構(gòu)的大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工完畢后,要進(jìn)行運(yùn)行分析,分析后期的溫度變化是否與模型模擬的情況類(lèi)似,以便為后期再次施工做出合理的修正。
此次有限元軟件主要對(duì)在配合比完成之前以及在施工過(guò)程中如何施工分別進(jìn)行模擬分析,從選擇不同種類(lèi)的水泥,不同的澆筑方法分別進(jìn)行解釋。
進(jìn)行大體積混凝土澆筑之前,會(huì)面臨一個(gè)水泥的選擇問(wèn)題,如何選擇水泥,從而不會(huì)出現(xiàn)過(guò)大的內(nèi)外溫差,進(jìn)而產(chǎn)生溫度裂縫;又要從造價(jià)方面考慮,不得超出基本造價(jià)。一般從三種水泥類(lèi)別進(jìn)行分析,分別是早強(qiáng)硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥以及低熱硅酸鹽水泥[2]。
首先,選擇高早強(qiáng)硅酸鹽水泥的情況下,計(jì)算結(jié)果為溫度升高29℃(見(jiàn)圖1,設(shè)置的入模溫度為20℃)
圖1 高早強(qiáng)硅酸鹽水泥
采用普通硅酸鹽水泥計(jì)算結(jié)果為溫度升高27℃,如圖2所示。
圖2 普通硅酸鹽水泥
采用低熱硅酸鹽水泥溫度升高16℃,如圖3所示。
圖3 低熱硅酸鹽水泥
根據(jù)《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》(GB50496—2018)要求,混凝土澆筑塊體的里表溫差(不含混凝土收縮的當(dāng)量溫度)不宜大于25℃,因此,在進(jìn)行大體積混凝土澆筑時(shí),低熱硅酸鹽水泥的發(fā)熱量是最小的,為了防止裂縫的發(fā)生,應(yīng)選用低熱硅酸鹽水泥[3]。
由于低熱硅酸鹽水泥的價(jià)格相對(duì)較高,若在選用普通硅酸鹽水泥的前提下,保證混凝土內(nèi)外溫差不超過(guò)25℃,可以選擇分層澆筑的方式進(jìn)行施工。
圖4的施工方式是先澆筑第一層1.5m,然后澆筑第二層2.5m,用這種方式進(jìn)行施工時(shí)溫升為26℃,比一次性澆筑的內(nèi)外溫差稍低,但仍不符合規(guī)范要求,在此基礎(chǔ)上,可以運(yùn)用增添水冷管的方式進(jìn)行改善[4]。
圖4 分層分階段澆筑
對(duì)第一層澆筑及第二層澆筑的中間部位分別布設(shè)一層水冷管之后發(fā)現(xiàn)最高溫差變?yōu)?1℃。(見(jiàn)圖5)
圖5 布設(shè)水冷管
本文對(duì)大體積承臺(tái)在采用不同材料施工時(shí),通過(guò)分析承臺(tái)內(nèi)外溫差,得出選用低熱的硅酸鹽水泥會(huì)很好地控制大體積承臺(tái)的內(nèi)外溫差,如果在施工工期較為緊張的情況下,可采用造價(jià)更高的該類(lèi)水泥完成大體積混凝土的澆筑工作。如果要在控制造價(jià)的前提下,采用分層澆筑的方法可以有效地降低承臺(tái)內(nèi)外溫差,但在施工前必須要進(jìn)行詳細(xì)的溫度分析,如果仍達(dá)不到規(guī)范要求,可采用鋪設(shè)水冷管的方式進(jìn)行降溫,能夠起到非常好的溫度控制作用。