吳 鵬

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 湖北 武漢 430063)

0 引言

隨著我國(guó)基建快速發(fā)展，采用大體積混凝土的工程越來(lái)越多。大體積混凝土結(jié)構(gòu)尺寸大、導(dǎo)熱性差、一次澆筑量多，水化熱反應(yīng)會(huì)釋放大量熱量，使結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差產(chǎn)生溫度應(yīng)力，當(dāng)溫度應(yīng)力超過(guò)混凝土容許拉應(yīng)力時(shí)就會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫及一系列更嚴(yán)重的問(wèn)題，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性。因此研究大體積混凝土溫度場(chǎng)分布及溫控措施具有重要意義。文獻(xiàn)[1]～[3]采用有限元方法建模，研究了其結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度分布規(guī)律并提出相應(yīng)溫控措施。文獻(xiàn)[4]研究了在太陽(yáng)輻射、風(fēng)速等因素影響下，單箱預(yù)應(yīng)力箱梁的溫度應(yīng)力及溫度分布。文獻(xiàn)[5]考慮各種隨機(jī)因素，給出了大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的隨機(jī)有限元算法。文獻(xiàn)[6]以某橋零號(hào)塊作為研究對(duì)象，通過(guò)預(yù)埋溫度傳感器，深入研究了結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度變化，對(duì)混凝土的導(dǎo)溫系數(shù)提出了相應(yīng)修正。文獻(xiàn)[7]采用單向溫度荷載計(jì)算方法，研究了溫度應(yīng)力計(jì)算方法。

本文研究大體積混凝土水化熱的溫度場(chǎng)分布規(guī)律，并據(jù)此制定了一系列溫控和保溫措施。

1 工程背景及有限元分析

1.1 工程背景

某高鐵三線斜拉橋主墩采用八邊形承臺(tái)，長(zhǎng)38.8 m，寬18.6 m，高7.5 m，下部采用群樁基礎(chǔ)，承臺(tái)混凝土采用C40砼。承臺(tái)分3次澆筑，第1次澆筑厚度為3m，第2次為1.5 m，第3次為3m，承臺(tái)澆筑間隙為7 d。為了得到施工過(guò)程中真實(shí)的溫度變化，在承臺(tái)中布置了108個(gè)溫度傳感器，溫度傳感器布置如圖1(根據(jù)承臺(tái)的對(duì)稱(chēng)性選取結(jié)構(gòu)的1/4示意)。

圖1 承臺(tái)1/4測(cè)點(diǎn)布置圖(單位： cm)

澆筑完成后，升溫過(guò)程中每隔2 h記錄1次，達(dá)到峰值后4 h記錄1次，在混凝土溫度變化趨于穩(wěn)定后，每天記錄2次。

續(xù)圖1 承臺(tái)1/4測(cè)點(diǎn)布置圖(單位： cm)

1.2 有限元模擬

采用MIDAS/Civil進(jìn)行仿真模擬，根據(jù)承臺(tái)的對(duì)稱(chēng)性選取結(jié)構(gòu)的1/4進(jìn)行有限元計(jì)算，模型共建立節(jié)點(diǎn)2 299個(gè)，單元1 800個(gè)(見(jiàn)圖2)。

圖2 承臺(tái)1/4網(wǎng)格劃分圖

冷卻管采用直徑40 mm鋼管，流速取30 L /min，水溫取15 ℃，冷卻管沿厚度方向分8層布置?；炷翆?duì)流系數(shù)取13.94 W/(m2·K)，導(dǎo)溫系數(shù)按配合比取0.068 m2/h，導(dǎo)熱系數(shù)取9.6 kW /(m·K)，比熱容取0.97 kJ/(kg·K)。混凝土配合比為m水∶m水泥+粉煤灰∶m砂∶m碎石∶m外加劑=152∶438∶744∶1 116∶4.38。環(huán)境溫度取20 ℃，平均風(fēng)速按6 m/s考慮。

2 結(jié)果分析

2.1 理論結(jié)果

承臺(tái)溫度場(chǎng)分布如圖3所示，各個(gè)斷面溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化曲線如圖4所示。

通過(guò)分析圖3、圖4可知:

1)測(cè)點(diǎn)7位于承臺(tái)中心處，在整個(gè)水化熱過(guò)程中溫度最高，最高溫度達(dá)55 ℃，峰值后由于大體積混凝土散熱性差，溫度下降速率慢。1、12、7測(cè)點(diǎn)因靠近承臺(tái)表面，散熱性好，峰值溫度較中心點(diǎn)低，在達(dá)到峰值后迅速降溫并達(dá)到穩(wěn)定。

2)承臺(tái)整個(gè)水化熱過(guò)程中總體溫度變化呈現(xiàn)先急劇上升后緩慢下降趨勢(shì)，且降溫持續(xù)時(shí)間比升溫階段長(zhǎng)很多。開(kāi)始時(shí)水化熱反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量大于冷卻管的冷卻和散熱效果，故溫度持續(xù)上升，經(jīng)2～3 d的時(shí)間溫度達(dá)到峰值，隨后在冷卻管的持續(xù)作用下，溫度開(kāi)始下降逐步達(dá)到穩(wěn)定。

a) 第1次澆筑混凝土

b) 第2次澆筑混凝土

c) 第3次澆筑混凝土

3)承臺(tái)表面至內(nèi)部一定范圍內(nèi)的溫度變化較大，內(nèi)部溫度雖高但比較均勻，因此表面區(qū)域存在開(kāi)裂的可能性較大。

2.2 監(jiān)控結(jié)果

各斷面實(shí)測(cè)監(jiān)控溫度曲線如圖5所示。

由圖5可以看出，實(shí)測(cè)溫度曲線與計(jì)算所得的結(jié)果基本相符，都經(jīng)歷了先上升后下降的階段,只是峰值到達(dá)時(shí)間、下降段速率有所差異。實(shí)測(cè)曲線的下降速率較快，主要因?yàn)椋?①通水過(guò)程中入水溫度、通水速度都是變化的，而計(jì)算時(shí)假定這2種因素是穩(wěn)定的;②在實(shí)際施工過(guò)程中，混凝土澆筑為逐步進(jìn)行，水化熱反應(yīng)隨著混凝土澆筑逐漸產(chǎn)生，而計(jì)算時(shí)認(rèn)為某層混凝土為一次性澆筑；③混凝土的入倉(cāng)溫度受外界環(huán)境(氣溫、風(fēng)速等)影響并非恒定值，導(dǎo)致了實(shí)測(cè)峰值溫度較計(jì)算值有所差別。

a) A斷面

b) B斷面

c) C斷面

d) D斷面

e) E斷面

a) A斷面

b) B斷面

c) C斷面

d) D斷面

e) E斷面

由此可見(jiàn)，利用Midas/Civil所建立的模型能夠較好地模擬工程的實(shí)際情況，所產(chǎn)生的誤差是可以接受的。

3 溫控措施

大體積承臺(tái)在澆筑過(guò)程中若不采取溫控措施極易產(chǎn)生開(kāi)裂，造成開(kāi)裂的原因十分復(fù)雜，需要從材料選擇、級(jí)配設(shè)計(jì)、攪拌、澆筑、通水冷卻、保溫保濕等多方面進(jìn)行控制，主要措施有：

1)使用低熱水泥。為了降低水泥水化熱過(guò)程中的放熱量，應(yīng)選擇水化熱較低的水泥品種。承臺(tái)設(shè)計(jì)混凝土標(biāo)號(hào)為C40，該承臺(tái)采用了P·O42.5普通硅酸鹽水泥，其水化熱低、后期強(qiáng)度大，依照對(duì)樣品的試驗(yàn)，符合溫控標(biāo)準(zhǔn)。

2)優(yōu)化級(jí)配設(shè)計(jì)。在滿足水泥強(qiáng)度的前提下，盡量減少水泥用量可有效降低溫升。如采用級(jí)配較好的集料，其骨料空隙率比較小，可相對(duì)減少所需水泥。綜合考慮各方面因素，該承臺(tái)所采用的碎石粒徑為4.75～31.5 mm，河砂細(xì)度模數(shù)為2.75。

3)埋設(shè)冷卻管。冷卻管通水冷卻是降低混凝土內(nèi)部溫度的主要措施，根據(jù)承臺(tái)內(nèi)部的溫度分布規(guī)律，共布置8層管徑φ40 mm薄壁鋼管，各層水平間距為1.0 m，相鄰兩側(cè)水管垂直交錯(cuò)布置。通水前對(duì)冷卻管進(jìn)行壓水試驗(yàn)，防止?jié)B水現(xiàn)象。當(dāng)混凝土澆筑到冷卻管標(biāo)高時(shí)開(kāi)始通水，通水流量大于30 L/min，并對(duì)所有通水管統(tǒng)一控制；達(dá)到溫度峰值后，控制通水量，澆筑全部完成后應(yīng)采用同標(biāo)的砂漿或水泥漿封堵冷卻管。

4)加強(qiáng)澆筑后養(yǎng)護(hù)。澆筑完成后外界氣溫驟變會(huì)引起混凝內(nèi)外溫差，產(chǎn)生溫度應(yīng)力，所產(chǎn)生的表面裂縫往往會(huì)向內(nèi)部發(fā)展，因此澆筑完成后的養(yǎng)護(hù)工作同樣重要，養(yǎng)護(hù)應(yīng)從濕度和溫度2方面進(jìn)行，承臺(tái)可覆蓋土工布并同時(shí)在承臺(tái)頂面采取蓄水保溫的措施，達(dá)到保溫保濕目的。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)某高鐵三線斜拉橋主墩承臺(tái)施工，對(duì)承臺(tái)進(jìn)行數(shù)值模擬，將模擬值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析，并采取相應(yīng)溫控措施，得出如下主要結(jié)論：

1)計(jì)算值和實(shí)測(cè)值皆顯示，承臺(tái)內(nèi)部溫度隨時(shí)間變化先升高，到達(dá)峰值后開(kāi)始緩慢下降，承臺(tái)內(nèi)最高溫度出現(xiàn)在74 h，最高溫度達(dá)到52 ℃左右，承臺(tái)表面溫度也符合相同溫度變化規(guī)律。

2)溫度變化過(guò)程中，由于內(nèi)部溫度上升速率較表面更快，所以內(nèi)部混凝土出現(xiàn)壓應(yīng)力，而表面出現(xiàn)拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)容許值后會(huì)導(dǎo)致表面開(kāi)裂。

3)承臺(tái)澆筑過(guò)程中的降溫措施和澆筑后的養(yǎng)護(hù)工作非常必要，采取合理的保溫保濕措施，可以有效控制承臺(tái)表面因溫度過(guò)低而產(chǎn)生的開(kāi)裂問(wèn)題。