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        大體積混凝土承臺(tái)施工水化熱控制研究

        2021-11-02 15:10:35羅曉東祖民星
        西部交通科技 2021年7期
        關(guān)鍵詞:冷卻管水化間距

        羅曉東 祖民星

        大體積混凝土澆筑會(huì)產(chǎn)生大量的水化熱導(dǎo)致結(jié)構(gòu)裂縫出現(xiàn),對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐久性造成不利影響。文章以白坡特大橋主墩承臺(tái)大體積混凝土澆筑為研究背景,對(duì)比Midas Civil有限元軟件模型計(jì)算結(jié)果和水化熱實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),進(jìn)一步優(yōu)化模型,改進(jìn)水流速率、進(jìn)水溫度、冷卻管的尺寸及布置,使模型數(shù)據(jù)更貼近實(shí)際水化熱數(shù)據(jù),更具有指導(dǎo)意義。

        橋梁工程;大體積混凝土;水化熱;溫度;仿真模擬;有限元計(jì)算;晝夜溫差;冷卻管

        U443.25A341184

        0 引言

        本文采用白坡特大橋主墩承臺(tái)作為研究對(duì)象。山區(qū)橋梁施工中,存在海拔高、施工難度大、晝夜溫差較大等問題,對(duì)承臺(tái)水化熱控制困難,水化熱散發(fā)不及時(shí)造成承臺(tái)內(nèi)外溫差過大,產(chǎn)生溫度裂縫,內(nèi)部溫度急劇上升,產(chǎn)生的溫度應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂和結(jié)構(gòu)損傷。對(duì)比Midas Civil有限元軟件模型計(jì)算結(jié)果和水化熱實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)模型進(jìn)一步優(yōu)化,改進(jìn)水流速率、進(jìn)水溫度、冷卻管的尺寸及布置,使模型數(shù)據(jù)更貼近實(shí)際水化熱數(shù)據(jù),更具有指導(dǎo)意義。同時(shí),由于山區(qū)水資源匱乏,降溫到一定溫度時(shí),需采用循環(huán)水,以節(jié)約資源,避免水資源匱乏造成的冷卻管中途斷水,對(duì)實(shí)體結(jié)構(gòu)物帶來更大的危害,影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐久性[1]。

        1 工程概況

        白坡特大橋主橋設(shè)計(jì)橋型為連續(xù)鋼構(gòu),跨徑組合為(70+130+70)m,主橋墩位于山體陡坡上,地形有起伏,橫跨V形山谷,海拔為1 237.4~1 169.8 m,相對(duì)高差為67.6 m,該橋址區(qū)晝夜溫差大,立體氣候明顯,干濕分明,年平均降水量約960 mm,水資源匱乏。

        承臺(tái)尺寸為14.6 m×9 m×4 m,采用C40混凝土,用一次性澆筑成型的方法進(jìn)行施工。布置3層內(nèi)徑40 mm、壁厚2.5 mm鋼管作散熱冷卻管,采用架立鋼筋固定,冷卻管水平方向間距為100 cm,第一、二層離承臺(tái)側(cè)面距離都是80 cm,兩層之間間距1 m,每層設(shè)有2個(gè)進(jìn)水口及2個(gè)出水口。

        由于該地區(qū)缺水,在承臺(tái)施工前,在距離主墩承臺(tái)右下方200 m處設(shè)置有一蓄水池,蓄水池大小為20 m×6 m×5 m,蓄水池在承臺(tái)施工時(shí)已蓄滿水,以解決水資源匱乏的難題。通過2臺(tái)水泵24 h不間歇抽水至承臺(tái)冷卻管內(nèi),24 h派人專門看守,以確保承臺(tái)24 h處于濕潤狀態(tài)。

        承臺(tái)內(nèi)部布設(shè)3層內(nèi)徑40 mm、壁厚2.5 mm鋼管作散熱冷卻管。布設(shè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn),實(shí)時(shí)對(duì)水化熱數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

        2 建模及參數(shù)計(jì)算

        2.1 計(jì)算參數(shù)

        白坡特大橋主墩承臺(tái)采用C40混凝土,根據(jù)相關(guān)規(guī)范計(jì)算各項(xiàng)參數(shù)如下:

        (1)C40混凝土配置強(qiáng)度。

        設(shè)計(jì)強(qiáng)度fcu,k=40 MPa,根據(jù)相關(guān)資料,每立方米混凝土的材料用量如表1所示[2]。

        (2)承臺(tái)模型參數(shù)。如表2所示。

        (3)冷卻管布置參數(shù)如表3所示。

        2.2 模型建立

        采用Midas Civil有限元軟件建立大體積承臺(tái)模型,對(duì)白坡特大橋主墩承臺(tái)進(jìn)行整體有限元建模和分析,承臺(tái)實(shí)體模型共計(jì)3 380個(gè)節(jié)點(diǎn),2 552個(gè)單元,取1/4模型進(jìn)行分析[3]。

        定義邊界條件,約束地基表面平移自由度。

        定義施工階段為10 h、20 h……360 h,環(huán)境溫度函數(shù)取20 ℃,對(duì)流系數(shù)取12 kcal/(m2·h·℃),固定溫度為20 ℃,熱冷管通水100 h。如圖1所示。

        2.3 計(jì)算結(jié)果

        選取混凝土達(dá)到最高溫度時(shí)內(nèi)部2個(gè)點(diǎn)和進(jìn)水口附近1個(gè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控,混凝土內(nèi)部選取節(jié)點(diǎn)29、節(jié)點(diǎn)381、節(jié)點(diǎn)439,如圖2所示。

        經(jīng)測(cè)溫計(jì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖3所示。

        實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算出現(xiàn)偏差的主要原因分析為:實(shí)際環(huán)境中的各項(xiàng)參數(shù)與理論模型部分是不相符的,但計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)最高溫度位置和實(shí)際環(huán)境最高溫度基本吻合,具有參考價(jià)值。

        3 模型優(yōu)化及參數(shù)優(yōu)化

        由Midas Civil溫度時(shí)程曲線和實(shí)測(cè)時(shí)程曲線對(duì)比可知,理論和實(shí)測(cè)溫度有偏差。

        實(shí)測(cè)承臺(tái)中午環(huán)境溫度為30.2 ℃,夜晚00:00環(huán)境溫度為10.0 ℃,晝夜溫差超過20 ℃,建模時(shí)未考慮環(huán)境溫度變化,導(dǎo)致理論和實(shí)際有所偏差。

        從冷卻管參數(shù)進(jìn)行分析,其管徑采用設(shè)計(jì)推薦尺寸,由此對(duì)管冷進(jìn)水溫度、冷卻水流量這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析,對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化,更貼近于實(shí)際值,由此更進(jìn)一步精確建模數(shù)據(jù),對(duì)后續(xù)承臺(tái)水化熱施工提供更有力的數(shù)據(jù)分析。

        將冷卻管流量根據(jù)實(shí)測(cè)水流速度調(diào)整為1.5 m3/h后,將冷卻管進(jìn)水口溫度調(diào)整為實(shí)測(cè)水溫19 ℃,將環(huán)境溫度調(diào)整為25 ℃,將冷卻管進(jìn)水時(shí)間按照實(shí)際控溫時(shí)長調(diào)整為150 h。

        建立模型時(shí),從可控的客觀條件對(duì)水化熱模型進(jìn)行調(diào)整,調(diào)整水流速率、冷卻管直徑、冷卻管布設(shè)間距及承臺(tái)澆筑溫度,對(duì)比分析后選擇合適的控溫措施。由于山區(qū)缺乏水資源,待承臺(tái)內(nèi)部水化熱溫度達(dá)到某個(gè)值時(shí),還需要使用循環(huán)水進(jìn)行降溫。

        3.1 對(duì)比流速

        冷卻管流量為1 m3/h、1.5 m3/h、1.8 m3/h、2.5 m3/h的工況在10 h、30 h、40 h、50 h、70 h、90 h、100 h、150 h、200 h時(shí)對(duì)數(shù)值模擬進(jìn)行分析。

        由表4可知,冷卻管的冷卻效果隨著冷卻水的流量而變化,水流量越大,冷卻效果越好,在水流量超過1.8 m3/h增加至2.5 m3/h時(shí),降溫效果反而較差。因此選取水流量為1.8 m3/h較為合理,其冷卻效果良好,避免水資源浪費(fèi)。

        3.2 對(duì)比冷卻管間距

        冷卻管的密集程度能夠有效降低水化熱的溫度和峰值,當(dāng)冷卻管間距過密時(shí),影響混凝土的澆筑、振搗。冷卻管布設(shè)選取水平間距分別為0.8 m、1 m、1.5 m等工況進(jìn)行對(duì)比分析,其內(nèi)部核心點(diǎn)溫度如圖4所示。

        由圖4可知,承臺(tái)水化熱降溫速率隨著冷卻管豎向間距的變化而變化,水平間距越密,冷卻效果越好,在冷卻管間距<0.8 m時(shí),冷卻管降溫速率不再變化,因此選取0.8 m的布置間距比較合理,避免了材料的浪費(fèi)。

        3.3 承臺(tái)澆筑溫度

        承臺(tái)澆筑的時(shí)段不同,澆筑的溫度不同,對(duì)承臺(tái)大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工過程中產(chǎn)生裂縫有重要影響,分別選取早上20 ℃、中午30 ℃、晚上15 ℃的溫度進(jìn)行對(duì)比。

        從圖5可以看出,承臺(tái)水化熱結(jié)果隨澆筑溫度的升高而升高,需要選取合適的澆筑溫度才能有效降低承臺(tái)內(nèi)部水化熱峰值。選取混凝土的澆筑時(shí)間在下午,溫度為15 ℃,以滿足工程實(shí)際需要。

        4 結(jié)語

        通過Midas Civil有限元模型對(duì)施工進(jìn)行指導(dǎo)時(shí),建模理論要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況來綜合考慮,使理論建模數(shù)據(jù)更加具有實(shí)際指導(dǎo)意義。具體結(jié)論如下:

        (1)施工前,要對(duì)目前施工現(xiàn)場(chǎng)所具有的資源條件進(jìn)行分析。在缺水、晝夜溫差較大的情況下,采用Midas Civil有限元模型對(duì)承臺(tái)水化熱進(jìn)行分析時(shí),應(yīng)考慮在水化熱降低至平穩(wěn)時(shí)采用循環(huán)水,既可以節(jié)約水資源,避免水化熱排放的污水對(duì)周邊環(huán)境造成影響,還可避免水資源匱乏造成的冷卻管中途斷水對(duì)實(shí)體結(jié)構(gòu)物帶來更大的危害,影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐久性[4]。

        (2)通過調(diào)節(jié)冷卻管進(jìn)水口溫度、冷卻管間距、冷卻水流速、混凝土施工時(shí)間等參數(shù)對(duì)承臺(tái)大體積混凝土水化熱結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。選擇20 ℃進(jìn)水口水溫對(duì)承臺(tái)進(jìn)行冷卻,采取0.8 m的冷卻管橫向布置間距,1.8 m3/h的冷卻水流速,具備以上條件后,待下午溫度穩(wěn)定在15 ℃時(shí)進(jìn)行承臺(tái)混凝土施工。

        (3)理論數(shù)據(jù)要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況來進(jìn)行綜合計(jì)算,使理論建模數(shù)據(jù)更加具有代表性,讓理論對(duì)實(shí)際施工更具指導(dǎo)意義。

        [1]JTG TF50-2011,公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].

        [2]JGJ 55-2011,普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程[S].

        [3]孫全勝,盧二俠,李 輝.大體積混凝土施工期的水化熱溫度場(chǎng)仿真分析[J],中外改路,2006,26(6):159-165.

        [4]GB50496-2009,大體積混凝土施工規(guī)范[S].

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