黃春暉,王劭琨,侯艷芳

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 咸陽(yáng) 712000)

隨著我國(guó)橋梁工程的高速發(fā)展,越來(lái)越多的大跨徑橋梁建成使用,與之相應(yīng)的承臺(tái)、橋墩、零號(hào)塊等大體積混凝土構(gòu)件也更多的出現(xiàn)在橋梁工程建設(shè)中,為此,大體積混凝土澆筑過(guò)程中的水化熱分析與控制成為相關(guān)學(xué)者及工程技術(shù)人員關(guān)注的熱點(diǎn)。目前關(guān)于橋梁大體積混凝土溫控方面的研究主要有:承臺(tái)大體積混凝土水化熱控制中冷卻水的冷卻效果[1-4];混凝土澆筑過(guò)程中澆筑溫度對(duì)水化熱的影響[5-7];大體積混凝土承臺(tái)內(nèi)外溫度控制、養(yǎng)護(hù)期間溫差控制及后續(xù)拆模時(shí)間等[8-11]。但這些研究成果大多以純數(shù)值模擬分析或監(jiān)控結(jié)果分析為主,缺少對(duì)大體積混凝土具體溫控方法及實(shí)際監(jiān)控過(guò)程的研究。本研究通過(guò)某多跨連續(xù)梁橋大體積混凝土承臺(tái)實(shí)際工程的應(yīng)用分析,對(duì)大體積混凝土的溫控方法進(jìn)行闡述,以期為后續(xù)類似橋梁工程的大體積混凝土承臺(tái)施工提供借鑒。

1 工程概況

某多跨連續(xù)梁橋位于貴陽(yáng)市,連接市區(qū)與曹壩沖隧道。橋梁上跨鐵路南關(guān)上行線及西南上行線;左幅橋起點(diǎn)樁號(hào)K2+193.41,終點(diǎn)樁號(hào)K2+675.67,全長(zhǎng)482.26 m;右幅橋起點(diǎn)號(hào)YK2+181.36,終點(diǎn)樁號(hào)YK2+670.96,全長(zhǎng)489.60 m。左、右幅主橋均采用72 m+120 m+72 m變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋。

該大橋主橋左、右幅共4個(gè)大體積承臺(tái),即Z8號(hào)、Z9號(hào)、Y7號(hào)、Y8號(hào)主墩對(duì)應(yīng)的承臺(tái),每個(gè)承臺(tái)的尺寸均為:長(zhǎng)×寬×高=1 220 cm × 1 220 cm ×450 cm(見(jiàn)圖1),每個(gè)承臺(tái)的混凝土體積都高達(dá)670 m3,需要進(jìn)行水化熱溫度監(jiān)控。根據(jù)施工單位提供的《某大橋承臺(tái)大體積混凝土施工方案》,所有承臺(tái)均采用1次澆筑成型。本次大體積混凝土的水化熱監(jiān)控對(duì)象根據(jù)施工先后順序,選取最早進(jìn)行施工的左幅Z9號(hào)主墩的承臺(tái)作為該橋梁的主要水化熱監(jiān)控對(duì)象,其余3個(gè)承臺(tái)的溫度監(jiān)控可以根據(jù)左幅Z9號(hào)主墩承臺(tái)澆筑情況及溫控的效果確定。

圖1 某多跨連續(xù)梁左幅主橋結(jié)構(gòu)示意圖(單位:m)Fig.1 Diagram of left main bridge structure of a multi-span continuous beam (unit:m)

2 承臺(tái)大體積混凝土溫控設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

開(kāi)工前用Midas Civil有限元分析軟件進(jìn)行承臺(tái)水化熱變化仿真模擬分析,考慮承臺(tái)是個(gè)規(guī)則長(zhǎng)方體,可以利用其對(duì)稱性選擇承臺(tái)體積的四分之一部分進(jìn)行溫度變化的測(cè)定工作。根據(jù)承臺(tái)體積,將50個(gè)測(cè)溫元件分5層布置在承臺(tái)中(見(jiàn)圖2),每層均布10個(gè)測(cè)點(diǎn),分別布置在所測(cè)平面的軸線及對(duì)角線上(見(jiàn)圖3)。

圖2 溫度測(cè)量元件在承臺(tái)中分層布置示意圖(單位:cm)Fig.2 Schematic diagram of temperature measuring element layering in the platform (unit:cm)

大體積混凝土表面溫度采用與每層的外邊緣最接近的3個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度作為外表面溫度。

2.2 測(cè)量元件和儀器

混凝土內(nèi)部溫度變化采用的測(cè)量元件是一線式溫度傳感器SZW-18型,其測(cè)溫范圍為-40～125 ℃,溫度精度為±0.5 ℃,分辨率為0.25 ℃。

與上述元件對(duì)應(yīng)的是SZZX-ZHX型智能讀數(shù)儀,它是一種便攜式、多功能讀數(shù)儀。該讀數(shù)儀量程為-40～125 ℃,溫度精度為±0.5 ℃,分辨率為0.25 ℃。

2.3 承臺(tái)冷卻水管布置情況

承臺(tái)中預(yù)先布設(shè)的冷卻水管布置形式見(jiàn)圖4～圖6。采用公稱直徑5 cm的鋼管作為冷卻水管,3層水管的進(jìn)、出水口均設(shè)置在承臺(tái)的上表面,每一層冷卻水管均設(shè)置獨(dú)立的進(jìn)水口和出水口。在溫度監(jiān)控期間通水,應(yīng)保證水管中的水流量不低于30 L/min。

圖3 溫度測(cè)量元件在每層中安裝位置示意圖(單位:cm)Fig.3 Schematic diagram of installation position of temperature measuring element in each layer (unit:cm)

圖4 第一、三層冷卻水管布置平面圖(單位:cm)Fig.4 Layout of cooling water pipes at the first and third floors (unit:cm)

圖5 第二層冷卻水管布置平面圖(單位:cm)Fig.5 Layout of cooling water pipes at the second floor (unit:cm)

2.4 承臺(tái)混凝土施工過(guò)程

在混凝土澆筑前,預(yù)先埋設(shè)了溫度測(cè)試元件,施工單位先通水試管,保證冷卻水管?chē)?yán)密不漏水?；炷了椒謱訚仓?一次澆筑完成?；炷翝仓r(shí)間:7月2日22時(shí)—7月3日18時(shí),歷時(shí)20 h。澆筑期間最高氣溫為28 ℃,采用商品混凝土泵送,澆筑工作順利完成。

圖6 冷卻水管布置立面圖(單位:cm)Fig.6 Elevation layout drawing of cooling pipe (unit:cm)

開(kāi)始放水循環(huán)的時(shí)間節(jié)點(diǎn),選在澆筑的混凝土把第一層冷卻水管完全掩埋時(shí)。在整個(gè)承臺(tái)混凝土的澆筑過(guò)程中,未出現(xiàn)因振搗設(shè)備振動(dòng)或泵送混凝土沖擊使冷卻管破壞而出現(xiàn)漏水的現(xiàn)象。

承臺(tái)澆筑完成后,監(jiān)控組即開(kāi)始了7月3日—16日連續(xù)14 d的測(cè)溫工作。

3 結(jié)果與分析

3.1 同一平面位置在不同層中測(cè)點(diǎn)溫度分布

為研究承臺(tái)內(nèi)同一水平位置不同層的測(cè)點(diǎn)在同一時(shí)間點(diǎn)的溫度分布特點(diǎn),選取承臺(tái)橫橋向靠近中心測(cè)點(diǎn)的某次測(cè)溫結(jié)果繪制出圖7。

圖7 Z9號(hào)墩承臺(tái)橫向靠近中心測(cè)點(diǎn)的溫度變化(7月8日11時(shí)所測(cè)溫度值)Fig.7 The temperature change of Z9 pier cap near the central measuring point(the temperature was measured at 11 o 'clock on July 8)

由圖7可知:在同一時(shí)間點(diǎn)的測(cè)量中,同一水平位置不同層的測(cè)點(diǎn)所測(cè)溫度表現(xiàn)出中間位置高,接近上、下表面位置處低的特點(diǎn),這與先前采用Midas Civil有限元軟件數(shù)值模擬分析的結(jié)果基本一致;在同一水平位置不同層的測(cè)點(diǎn),溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在靠近下部的位置,這與承臺(tái)下表面主要通過(guò)熱傳導(dǎo)方式向周?chē)?而上表面主要通過(guò)熱輻射方式向周?chē)?并且會(huì)受到空氣流動(dòng)速度等因素影響加速降溫有關(guān)。

3.2 承臺(tái)順橋向溫度分布

為研究承臺(tái)內(nèi)溫度順橋向的分布規(guī)律,選取承臺(tái)從下往上第二層測(cè)點(diǎn)的某次測(cè)溫結(jié)果繪制出圖8。

圖8 Z9號(hào)墩承臺(tái)第二測(cè)溫層測(cè)點(diǎn)順橋向溫度變化(7月11日9時(shí)所測(cè)溫度值)Fig.8 The temperature change of the second temperature layer of Z9 pier cap along the bridge (the temperature was measured at 9 o 'clock on July 11)

由圖8可知,在同一測(cè)溫層,溫度表現(xiàn)出從承臺(tái)中心沿順橋向往外逐漸降低,并且在靠近側(cè)面的2.0 m左右范圍內(nèi)急劇降低,為了防止內(nèi)外溫差過(guò)大引起開(kāi)裂,要做好表層覆蓋等養(yǎng)護(hù)措施。

3.3 承臺(tái)對(duì)角線溫度分布

為研究溫度沿承臺(tái)對(duì)角線的分布規(guī)律,選取承臺(tái)從下往上第四層測(cè)點(diǎn)的某次測(cè)溫結(jié)果繪制出圖9。

圖9 Z9號(hào)墩承臺(tái)第四層對(duì)角線上測(cè)點(diǎn)的溫度變化(7月13日16時(shí)所測(cè)溫度值)Fig.9 The temperature change of measuring point on the diagonal of the fourth floor of Z9 pier (the temperature was measured at 16 o'clock on July 13)

由圖9可知,在同一測(cè)溫層,溫度表現(xiàn)出從承臺(tái)中心沿對(duì)角線向外逐漸降低,并且在接近承臺(tái)角的2.8 m左右范圍內(nèi)溫度急劇降低,其分布規(guī)律與順橋向相似。

3.4 承臺(tái)最高溫度分布

從承臺(tái)每層順橋向及對(duì)角線溫度分布圖可以看出,最高溫度均出現(xiàn)在這一層的承臺(tái)平面中心位置,選取5個(gè)測(cè)溫層每層的中心點(diǎn)D點(diǎn)的同一時(shí)刻溫度值繪制出圖10。

圖10 Z9號(hào)墩承臺(tái)中心豎向位置沿高度的溫度變化(7月6日10時(shí)所測(cè)溫度值)Fig.10 The temperature change at vertical position of the center of Z9 pier cap varies with the height (the temperature was measured at 10 o'clock on July 6)

由圖10可知,D-3測(cè)點(diǎn)是所監(jiān)控承臺(tái)的中心點(diǎn)處溫度最高,達(dá)67.5 ℃,該溫度已相對(duì)偏高,因此建議在后續(xù)幾個(gè)承臺(tái)的施工中采取措施加密水平向或垂直向冷卻水管,以達(dá)到限制最高溫度的目的。

此外,承臺(tái)中心位置溫度在同一水平位置不同層的分布同樣表現(xiàn)出中間位置高、接近上下表面位置處低的特點(diǎn),這與所選取距外壁2.1 m、距中心4 m處B點(diǎn)的溫度豎向變化一致。

3.5 承臺(tái)溫度隨時(shí)間變化

為研究承臺(tái)澆筑后內(nèi)部溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律,將所有測(cè)點(diǎn)每天的溫度取平均值,繪制出所有測(cè)點(diǎn)日平均溫度隨時(shí)間變化的曲線圖(見(jiàn)圖11)。

圖11 Z9號(hào)橋墩承臺(tái)混凝土澆筑完成后日平均溫度隨 時(shí)間變化關(guān)系Fig.11 The average daily temperature changes with time after concrete pouring of Z9 pier cap

由圖11可知,承臺(tái)日平均溫度峰值出現(xiàn)在混凝土澆筑完成后第4天,其峰值達(dá)59.4 ℃;承臺(tái)澆筑完成后前4天溫度上升很快,說(shuō)明混凝土水化熱在澆筑后前4天釋放量很大,內(nèi)外溫差過(guò)大導(dǎo)致的開(kāi)裂也常出現(xiàn)在這幾天,從第5天開(kāi)始溫度出現(xiàn)下降并逐漸趨于緩和,因此可見(jiàn),保證正常冷卻水循環(huán)基本能保證承臺(tái)不開(kāi)裂;由于承臺(tái)養(yǎng)護(hù)全過(guò)程中做溫度監(jiān)控,雖然中間出現(xiàn)過(guò)幾次短時(shí)間的內(nèi)外溫差超過(guò)20 ℃(未超過(guò)上限25 ℃),加之現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)采取了增加循環(huán)水流量的措施(降低內(nèi)外溫差),因此,未出現(xiàn)承臺(tái)開(kāi)裂等不良狀況。

4 結(jié)論

(1) 承臺(tái)澆筑后在同一水平面上的水化熱分布無(wú)論是沿順橋向還是承臺(tái)對(duì)角線方向都表現(xiàn)出同一測(cè)溫層靠近平面中心溫度高,向外溫度逐漸降低并且在靠近外表面位置溫度急劇降低,這與有限元軟件模擬結(jié)果一致,說(shuō)明可以通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)指導(dǎo)施工,因此要做好表層覆蓋等養(yǎng)護(hù)措施,防止開(kāi)裂。

(2) 承臺(tái)澆筑后在不同層同一水平位置水化熱分布的測(cè)點(diǎn),不論是中心位置還是靠近表面位置,不同層同一水平位置測(cè)點(diǎn)在同一時(shí)間點(diǎn)的豎向溫度都表現(xiàn)出中間位置高、接近上下表面位置處低的特點(diǎn),并且溫度最高點(diǎn)靠近下部,這主要是上下表面散熱方式不同導(dǎo)致的,為此在后續(xù)工程中可以考慮加密下部冷卻水管,加速降溫。

(3) 通過(guò)承臺(tái)澆筑后的水化熱隨時(shí)間變化關(guān)系可以看出,大量水化熱在承臺(tái)澆筑完成后的前4天釋放出,因此在澆筑完成后的前幾天要特別注意控制內(nèi)外溫差在20 ℃以內(nèi),防止出現(xiàn)溫度應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致承臺(tái)開(kāi)裂;第4天之后溫度出現(xiàn)下降并逐漸趨于緩和,只要保證冷卻水的正常循環(huán)就不會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂的狀況。本項(xiàng)目在前幾天的溫控中短時(shí)間出現(xiàn)過(guò)內(nèi)外溫差超過(guò)20 ℃,但未超過(guò)25 ℃的上限,現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)采取了增加循環(huán)水流量的措施,因此建議后續(xù)工程減小冷卻水管間距,以便更好地降低內(nèi)外溫差。