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        冬季施工橋梁承臺(tái)大體積混凝土水化熱分析

        2021-06-11 07:44:42魏進(jìn)才朱亞沖崔鳳坤
        黑龍江交通科技 2021年5期
        關(guān)鍵詞:經(jīng)時(shí)表面溫度溫差

        苗 雷,魏進(jìn)才,劉 毅,朱亞沖,崔鳳坤

        (1.中建八局第二建設(shè)有限公司,山東 濟(jì)南 250022;2.山東交通學(xué)院 交通土建工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250357)

        1 工程概況

        寧陽(yáng)至梁山段高速是山東省“九縱五橫一環(huán)七連”高速公路網(wǎng)中“橫四”的關(guān)鍵部分,本項(xiàng)目與京九鐵路交叉處京九鐵路下行線里程為K502+323.0,交叉角度75.8°,為了減小橋梁施工對(duì)既有鐵路線路的影響,跨京九鐵路立交橋采用平面轉(zhuǎn)體施工工藝,轉(zhuǎn)體角度為85.3°。主墩(49#橋墩)為矩形空心墩,墩高15.5 m,壁厚1.5 m,橫橋向?qū)挾?3.7 m,縱橋向?qū)挾?.0 m。承臺(tái)為臺(tái)階式,分上、下兩層。上承臺(tái)高4.6 m,順橋向長(zhǎng)14.6 m,橫橋向?qū)?4.6 m。下承臺(tái)為矩形,與鐵路平行布置,順鐵路方向?qū)?1.5 m,垂直鐵路方向長(zhǎng)25.3 m,高5.0 m。

        下承臺(tái)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C50,澆筑量2 515 m3,為典型大體積混凝土施工。為了降低水化熱影響,下承臺(tái)分兩層澆筑,第一層澆筑高度為3.9 m,第二層澆筑高度為1.1 m。下承臺(tái)施工期為2020年1月,此時(shí)梁山地區(qū)已進(jìn)入冬季施工季節(jié)。

        2 承臺(tái)有限元分析模型

        2.1 模型建立

        以下承臺(tái)為例,利用MIDAS FEA有限元分析軟件,根據(jù)下承臺(tái)實(shí)際尺寸建立承臺(tái)施工過(guò)程仿真分析模型,依據(jù)對(duì)稱(chēng)性原則,取上承臺(tái)1/4部分建立模型,如圖1所示。為了提高分析效率和精度,結(jié)構(gòu)整體采用高階六面體單元。模型共劃分為16 379個(gè)節(jié)點(diǎn)和16 962個(gè)單元。

        圖1 下承臺(tái)有限元分析模型

        2.2 邊界條件

        (1)位移邊界條件

        通過(guò)澆筑混凝土將下承臺(tái)與樁基礎(chǔ)連接成為整體,因此二者之間應(yīng)設(shè)為固定約束;由于僅取上承臺(tái)1/4部分建立模型,因此在下承臺(tái)對(duì)稱(chēng)分割面上施加對(duì)稱(chēng)約束。

        (2)溫度邊界條件

        模型建立時(shí)不考慮樁基與下承臺(tái)熱傳遞作用,故下承臺(tái)底部可取為強(qiáng)制溫度(第一類(lèi)邊界條件);下承臺(tái)外側(cè)面及上表面與空氣接觸,在混凝土澆筑前后,與空氣進(jìn)行熱交換,為對(duì)流邊界(第三類(lèi)邊界條件),計(jì)算公式見(jiàn)公式(1)。

        (1)

        式中:β為導(dǎo)熱物體表面放熱系數(shù);Tα為空氣溫度;S為日輻射強(qiáng)度;αs為結(jié)構(gòu)表面輻射熱量吸收系數(shù);n為導(dǎo)熱物體表面外法線方向。

        2.3 環(huán)境及材料參數(shù)

        根據(jù)GB 50496-2018《大體積混凝土施工規(guī)范》計(jì)算得出下承臺(tái)有限元模型中相關(guān)參數(shù),部分參數(shù)見(jiàn)表1所示。

        表1 環(huán)境及材料參數(shù)

        3 模型數(shù)值分析

        3.1 承臺(tái)溫度場(chǎng)

        下承臺(tái)在無(wú)管冷系統(tǒng)的情況下,核心、側(cè)表面溫度經(jīng)時(shí)變化曲線如圖2所示,核心溫度約在115 h時(shí)達(dá)到溫度峰值68.6 ℃;側(cè)表面溫度在50 h左右達(dá)到溫度峰值42.8 ℃。達(dá)到溫度峰值后,核心及側(cè)表面溫度開(kāi)始下降,核心、側(cè)表面溫度降溫速率分別為1.17 ℃/d、2.50 ℃/d。入模溫度為8 ℃時(shí),承臺(tái)核心、側(cè)表面位置最大溫升值分別為60.6 ℃和34.8 ℃。

        圖2 無(wú)管冷系統(tǒng)時(shí)核心、側(cè)表面溫度經(jīng)時(shí)變化曲線

        從混凝土澆筑開(kāi)始到溫度達(dá)到峰值前,里表溫差隨時(shí)間變化逐漸增大,190 h時(shí)里表溫差達(dá)到最大值37.4 ℃,已超過(guò)規(guī)范規(guī)定的里表溫差最大值25 ℃,如圖3所示。

        圖3 無(wú)管冷系統(tǒng)時(shí)里表溫差經(jīng)時(shí)變化曲線

        由圖2、圖3可知,冬季施工時(shí)環(huán)境溫度低,承臺(tái)側(cè)表面會(huì)快速與空氣進(jìn)行熱交換,側(cè)表面溫度降溫速率約為核心溫度降溫速率的2.1倍;混凝土急劇升溫后,承臺(tái)側(cè)表面達(dá)到的溫度峰值比核心處低,且峰值持續(xù)時(shí)間很短,并很快進(jìn)入降溫階段。因此,承臺(tái)表面需采取充分的保溫措施來(lái)減小里表溫差。

        3.2 設(shè)管冷系統(tǒng)承臺(tái)溫度場(chǎng)

        現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際管冷系統(tǒng)采用φ38×3.5 mm的薄壁鋼管,利用絲扣套筒將水管接頭處連接,管冷系統(tǒng)使用S形管路布置,水平管間距1.2 m,距離四周邊緣0.63 m;垂直方向共設(shè)置三層,層間距2 m,上、下層管冷系統(tǒng)距下承臺(tái)上、下表面0.5 m。通過(guò)MIDAS FEA模擬管冷系統(tǒng)布置,設(shè)入口溫度5 ℃,流量2 m3/h,提取溫度經(jīng)時(shí)變化曲線并分析。

        下承臺(tái)設(shè)置管冷系統(tǒng)時(shí),核心溫度在約85 h時(shí)達(dá)到溫度峰值64.2 ℃;側(cè)表面溫度在約50 h時(shí)達(dá)到溫度峰值42.4 ℃。達(dá)到溫度峰值后核心及側(cè)表面溫度開(kāi)始下降,降溫速率分別為3.79 ℃/d、4.37 ℃/d。核心、側(cè)表面溫度在入模溫度8 ℃基礎(chǔ)上對(duì)應(yīng)最大溫升值為56.2 ℃和34.4 ℃,如圖4所示。

        圖4 有管冷系統(tǒng)時(shí)核心、側(cè)表面溫度經(jīng)時(shí)變化曲線

        混凝土澆筑后,里表溫差逐漸增大,在130 h時(shí)里表溫差達(dá)到最大值30.3 ℃,超過(guò)規(guī)范規(guī)定的里表溫差最大值25 ℃,如圖5所示。

        圖5 有管冷系統(tǒng)時(shí)里表溫差經(jīng)時(shí)變化曲線

        4 有無(wú)管冷系統(tǒng)的溫度場(chǎng)對(duì)比分析

        為了分析管冷系統(tǒng)的設(shè)置對(duì)承臺(tái)溫度分布規(guī)律的影響,將有無(wú)管冷系統(tǒng)的溫度經(jīng)時(shí)變化曲線繪制于如圖6所示。

        圖6 有無(wú)管冷系統(tǒng)溫度經(jīng)時(shí)變化曲線

        未布設(shè)管冷系統(tǒng)時(shí),由于大體積混凝土產(chǎn)生大量水化熱,混凝土內(nèi)部溫度急劇升溫,僅靠自身與外界的熱交換進(jìn)行降溫,降溫速率與里表溫差均不符合規(guī)范要求。

        布設(shè)管冷系統(tǒng)時(shí),核心、側(cè)表面溫度峰值均有所降低,且達(dá)到溫度峰值所用時(shí)長(zhǎng)縮短;核心、側(cè)表面溫度降溫速率均有所提高,說(shuō)明管冷系統(tǒng)有較好的降溫效果。但承臺(tái)側(cè)表面降溫速率仍大于規(guī)范規(guī)定值2 ℃/d,核心溫度最大溫升值也大于規(guī)范規(guī)定值50 ℃。

        (3)無(wú)論是否設(shè)置管冷系統(tǒng),里表溫差值隨時(shí)間變化的的趨勢(shì)均是逐漸增大,且里表溫差最大值均大于規(guī)范規(guī)定值25 ℃。

        綜上,冬季橋梁承臺(tái)大體積混凝土施工會(huì)釋放大量的水化熱,為保證降溫速率和里表溫差滿足規(guī)范要求,應(yīng)采取有效的溫控措施來(lái)減小大體積混凝土溫度梯度。

        5 冬季施工溫控措施

        (1)熟料中含硅酸三鈣和鋁酸酸鈣較少的水泥,能夠減少大體積混凝土的水泥水化熱量,從而減小溫度梯度。故應(yīng)當(dāng)選用中熱硅酸鹽水泥、粉煤灰水泥和低熱礦渣水泥。

        (2)由于中粗砂比表面積小、孔隙率小,且能夠減少混凝土水泥用量,降低水化熱反應(yīng)程度,因此,應(yīng)選用集配良好的中粗砂作為大體積混凝土細(xì)骨料。

        (3)減水劑能減少拌和用水量,降低水灰比,改善和易性;緩凝劑能夠延長(zhǎng)混凝土從塑性狀態(tài)向固體狀態(tài)轉(zhuǎn)化時(shí)間;膨脹劑使混凝土水化過(guò)程中體積膨脹等。所以,在保證混凝土力學(xué)性能的前提下,可在施工過(guò)程中添加適量摻加劑。

        (4)保溫玻璃棉具有良好的保溫效果。大體積混凝土澆筑之前,在模板外側(cè)貼一層5 cm厚的保溫玻璃棉,待澆筑后,在承臺(tái)頂面覆蓋一層塑料薄膜,然后在塑料薄膜上覆蓋一層5 cm厚的保溫玻璃棉。另外,在承臺(tái)周?chē)0迮c保溫棉之間、承臺(tái)頂部與保溫棉之間布設(shè)蒸汽通道,對(duì)澆筑后混凝土進(jìn)一步養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)時(shí)間控制在14 d左右。

        6 結(jié) 語(yǔ)

        依托寧梁高速跨京九鐵路立交橋項(xiàng)目,研究管冷系統(tǒng)的設(shè)置對(duì)冬季施工橋梁承臺(tái)大體積混凝土溫度場(chǎng)分布規(guī)律的影響。分析結(jié)果表明:僅依靠布設(shè)管冷系統(tǒng)不能滿足大體積混凝土承臺(tái)的施工技術(shù)規(guī)范要求,因此,對(duì)冬季橋梁承臺(tái)大體積混凝土的施工采取專(zhuān)項(xiàng)的溫控措施。

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