文 圳

(湘潭市交通建設質(zhì)量安全監(jiān)督站， 湖南 湘潭 411201)

0 引言

混凝土早期的水化反應釋放大量的熱，在結(jié)構內(nèi)部與表面形成溫度差和溫度應力，并導致結(jié)構早期開裂，影響其耐久性能和使用壽命[1-2]。通常，混凝土結(jié)構的尺寸越大，水化熱效應就愈加明顯，早期開裂風險就愈高[3-4]。因此，研究大體積混凝土結(jié)構澆筑和養(yǎng)護過程中混凝土結(jié)構溫度變化規(guī)律和損傷發(fā)展規(guī)律格外重要。

從20世紀初開始，國內(nèi)外學者就開始關注大體積混凝土的水化熱問題，并提出了一系列溫度控制措施，如:分層澆筑混凝土、采用低水化熱的配合比、控制混凝土的入模溫度以及設置水冷管系統(tǒng)等[5-6]。隨著數(shù)值仿真技術的不斷發(fā)展，借助數(shù)值軟件對混凝土澆筑過程進行仿真模擬、進而確保溫控方案的有效性已成為一種常用手段[7-8]，并在大體積混凝土施工中發(fā)揮了越來越重要的作用。

本文以湘潭某斜拉橋主墩承臺混凝土施工為背景，采用Midas/FEA對承臺大體積混凝土的澆筑過程進行了數(shù)值仿真模擬，并對水化熱效應的影響因素進行了敏感性分析，最終確定了適合主墩承臺混凝土施工的溫控方案。

1 工程概況

某斜拉橋為雙塔雙索面混合梁斜拉橋，位于湖南省湘潭市，是跨越湘江、連接雨湖區(qū)和岳塘區(qū)的重要交通節(jié)點。橋梁采用雙向6車道設計，全長2123m，主跨658m。主墩承臺為矩形，幾何尺寸為36 m×18.5 m×8 m，如圖1所示。承臺澆筑在厚度為3m的封底混凝土上，采用C40混凝土，方量1942m3，為大體積混凝土施工。因此，合理控制承臺混凝土早期溫度、降低土水化熱效應、防止早期開裂是該承臺施工的核心問題。

圖1 主墩承臺幾何尺寸(單位： mm)

2 主墩承臺數(shù)值模型構建

2.1 數(shù)值模型的基本信息

考慮封底混凝土影響，基于Midas/FEA建立本項目斜拉橋主墩承臺的數(shù)值分析模型。由于承臺本身的對稱性，在實際建模時取1/2結(jié)構進行分析，F(xiàn)EA模型如圖2所示。

圖2 主墩承臺1/2結(jié)構FEA模型

承臺數(shù)值模型有24784個節(jié)點，23586個單元，平均單元尺寸為0.3m×0.3 m。模型中考慮4種邊界條件：約束邊界、對稱邊界、固定溫度條件、對流邊界。其中，約束邊界描述承臺(或封底混凝土)底面、側(cè)面與外界之間的位移約束情況；對稱邊界描述1/2模型切口處的位移約束情況；固定溫度條件描述封底混凝土底面及側(cè)面的恒溫邊界。

2.2 熱工參數(shù)確定

依據(jù)熱力學方程[9]，混凝土導熱過程涉及的熱工參數(shù)主要包括：熱擴散系數(shù)a，比熱容c，導熱系數(shù)λ和材料密度ρ。上述熱工參數(shù)，可依據(jù)混凝土的實際配合比進行估算，計算公式如下：

α=λ/cρ

(1)

(2)

式中:mi為單位重量混凝土中各組分材料的質(zhì)量；ci和λi為各組分材料的比熱容、導熱系數(shù)。

承臺C40及封底混凝土C30的配合比見表1，

表1 相關混凝土配合比kg/m3混凝土標號水泥(525)粉煤灰礦粉河砂碎石水外加劑C35285139—7571 0861693.68C402141181007921 1161564.73

依據(jù)配合比及式(1)、式(2)計算得到不同標號混凝土熱工參數(shù)，如表2所示。

表2 相關混凝土物理力學參數(shù)及熱工參數(shù)混凝土標號彈性模量/GPa抗壓強度/MPa線膨脹系數(shù)/(10-5K-1)泊松比C3532.432.11.050.180C4030.543.21.050.180混凝土標號密度/(g·cm-3)導熱系數(shù) /(W·m-1·k-1)比熱容/(J·kg-1·K-1)C352.4113.37×10-2935C402.3553.37×10-2935

2.3 日氣溫函數(shù)

單日溫度變化，尤其是晝夜溫差，會在混凝土結(jié)構內(nèi)部形成溫度梯度、溫度應力，導致結(jié)構開裂。因此，在研究混凝土水化熱問題時，應考慮澆筑及養(yǎng)護周期內(nèi)的單日溫度變化[10]。考慮到單日氣溫變化的連續(xù)性和周期性，研究中采用余弦函數(shù)描述其變化規(guī)律：

(3)

式中：Ta為氣溫值；Tam為單日平均氣溫；Aa為單日氣溫變化幅值；t為時間,h。

項目所在地位于長江以南，屬亞熱帶季風溫潤氣候，且承臺澆筑在11～12月份進行，日平均氣溫4.7 ℃，氣溫變化幅值約為4.0 ℃。依據(jù)式(2)繪制環(huán)境日氣溫曲線，見圖3。

圖3 項目所在地環(huán)境日氣溫曲線

2.4 對流邊界條件設定

承臺混凝土在養(yǎng)護過程中會與外界發(fā)生熱交換，即對流邊界。承臺頂面直接與外界環(huán)境接觸，熱交換效率可采用如下公式確定[11]：

β=23.9+14.5v

(4)

式中：β為對流系數(shù)；v是風速，依據(jù)項目所在地實測結(jié)果取3.0 m/s。

承臺側(cè)面采用木模澆筑，加設防雨布和土工布各1層，考慮風速1.4 m/s，等效換熱系數(shù)取6.39 W/(m2·k)?？紤]封底混凝土底面及側(cè)面為恒溫邊界，即對應位置溫度不發(fā)生變化，溫度取5 ℃。

2.5 熱源函數(shù)定義

熱源函數(shù)主要用于描述混凝土水化過程中發(fā)熱狀態(tài)，跟水泥種類和單位體積水泥用量相關。承臺混凝土的最終絕熱溫升值是定義熱源函數(shù)的關鍵參數(shù)，該數(shù)值可依據(jù)相關技術規(guī)程[12]通過承臺混凝土7 d的溫升實測結(jié)果推算。

Tb=T7/(1-e-mt)

(5)

式中:T7為承臺混凝土的7 d溫升值，實測結(jié)果為43.29 ℃；m是一個由混凝土入模溫度決定的系數(shù)(如，對應入模溫度25 ℃時m取0.4)；t為天數(shù)，取7。

依據(jù)式(5)確定承臺混凝土的絕熱溫升值為44.76 ℃，對應的混凝土熱源函數(shù)曲線如圖4所示。

圖4 某斜拉橋主墩承臺混凝土熱源函數(shù)曲線

2.6 管冷系統(tǒng)模擬

管冷系統(tǒng)是大體積混凝土施工過程中，預防早期開裂的重要手段[13]。通過將承臺混凝土數(shù)值模型中冷卻管穿過的單元設置為對流邊界，可以實現(xiàn)管冷系統(tǒng)的數(shù)值模擬。水的比熱容、密度、流量、冷卻管外徑、對流參數(shù)是設置對流邊界重要熱工參數(shù)，本項目研究中采用的數(shù)值見表3。

表3 管冷系統(tǒng)熱工參數(shù)水比熱容/(J·kg-1·K-1)水密度/(g·cm-3)水流量/(m3·h-1)管徑/mm對流參數(shù)/(W·m2·k-1)4.29711.64013.61

3 承臺水化熱影響參數(shù)敏感性

3.1 澆注方案對比及水化熱過程分析

考慮兩種承臺混凝土澆注方案：一次性澆筑和分2層澆筑(每次高度4 m)，分別建立FEA模型分析承臺混凝土在澆筑完成后14 d的溫度變化情況。數(shù)值模型構建中考慮入模溫度25 ℃，并采用相同的管冷方案。不同澆筑方案最不利溫度場分布情況如圖5所示，承臺核心處(最不利位置)溫度隨時間的發(fā)展曲線見圖6所示。分析結(jié)果顯示，承臺混凝土水化熱階段的最高溫度在澆筑完成90 h后出現(xiàn)，且位于承臺核心處。一次性澆筑時最高溫度為61.33 ℃，分層澆筑時最高溫度分別為47.50℃(第1層核心處)、47.03 ℃(第2層核心處)。這表明，分層澆筑不會改變溫度峰值到來的時間，但可以顯著降低最高溫度的數(shù)值。

(a) 一次澆筑

圖6 承臺核心混凝土溫度發(fā)展曲線

3.2 冷卻管進水水溫影響

設置冷卻管，通過冷卻管中流動的低溫水與承臺內(nèi)部形成熱交換，帶走混凝土水化熱、降低承臺溫度，是目前承臺大體積混凝土施工中常用的方法。在上述過程中，冷卻管進水口處的水溫對降溫效果有較大影響。考慮分層澆筑方案，建立FEA數(shù)值分析模型，在入模溫度相同(25 ℃)、冷卻管布置方案相同的情況下分析進水溫度對降溫效果的影響規(guī)律。表4中列出了3種不同水溫下(無冷卻管設置、進水溫度15 ℃、進水溫度7 ℃)承臺降溫參數(shù)的數(shù)值分析結(jié)果，圖7展示了澆筑90 h后承臺混凝土溫度應力場。結(jié)果顯示：無冷卻管時混凝土核心區(qū)溫度達53.94 ℃，最大應力為6.35 MPa，混凝土存在開裂風險；設置冷卻管后，承臺混凝土的核心溫度有了明顯降低，分別為45.98 ℃(進水溫度10 ℃)、46.93 ℃(進水溫度15 ℃)。另，進口水溫過高，比如15 ℃，會導致承臺溫度應力過大(抗拉強度2.60 MPa>2.39 MPa設計值)，混凝土開裂，因此，施工過程中應注意控制進水溫度在10 ℃以內(nèi)為宜。

表4 不同管冷水溫的承臺水化熱模擬結(jié)果流入溫度/℃升溫過程降溫過程峰溫/℃時刻/h持時/h速率/(℃·d-1)持時/h最大溫差/℃最大應力/MPa是否開裂無53.9494981.7414241.286.35是1045.98109572.2518333.32.03否1546.93116441.9219634.32.60是

(a) 無管冷

3.3 混凝土入模溫度敏感性分析

混凝土入模溫度主要通過熱源函數(shù)來影響承臺的水化熱進程?？紤]到承臺施工主要在冬季，選擇3種混凝土入模溫度(10 ℃、14 ℃、18 ℃)建立數(shù)值模型，研究其對承臺水化熱的影響規(guī)律。數(shù)值模型中，考慮分層施工并設置冷卻管，分析結(jié)果見表5。數(shù)值結(jié)果表明，入模溫度顯著影響承臺混凝土的水化熱過程，且隨其溫度升高，承臺核心區(qū)峰值溫度愈高。入模溫度在10 ℃以內(nèi)時，混凝土溫度應力在設計容許值范圍內(nèi)；超過14 ℃時，溫度應力會超過容許值，導致混凝土開裂。

表5 3種入模溫度的承臺混凝土數(shù)值分析結(jié)果流入溫度/℃升溫過程降溫過程峰溫/℃時刻/h持時/h速率/(℃·d-1)持時/h最大溫差/℃最大應力/MPa是否開裂1042.9697311.9119530.32.04否1447.18102362.1919534.52.41是1850.12106362.2319537.42.68是

4 承臺溫控方案及實測驗證

考慮項目背景及承臺水化熱參數(shù)敏感性的數(shù)值分析結(jié)果，確定主墩承臺的溫控方案如下：承臺混凝土分兩次澆筑，每次澆筑高度為4 m；承臺內(nèi)布設冷卻管系統(tǒng)，冷卻管共4層平行布設，冷卻管進水口溫度不高于10 ℃；通過控制混凝土出機溫度的方式將混凝土入模溫度控制在5 ℃～10 ℃之間；作業(yè)面模板覆蓋防雨布和土工布各1層，以控制模板溫度。預先在承臺內(nèi)埋設溫度傳感器和應變傳感器，及時反饋承臺混凝土水化熱過程數(shù)據(jù)，進行實時監(jiān)控。測點布置位置見圖8(a)，傳感器的實物照片見圖8(b)、圖8(c)。圖9、圖10顯示了承臺混凝土澆筑672 h后測點溫度與應力的變化情況，并與數(shù)值預測結(jié)果、設計容許值進行了比對分析。結(jié)果表明：混凝土水化熱過程中，承臺最高溫度不超過50 ℃，應力在設計容許值范圍內(nèi)，不會產(chǎn)生開裂問題；數(shù)值模型能夠準確反映承臺實際狀況，預測結(jié)果與實測結(jié)果符合度良好。

圖8 主墩承臺監(jiān)測點布置

圖9 承臺混凝土實測水化熱溫度與數(shù)值模擬結(jié)果對比

圖10 承臺混凝土實測水化熱應力與數(shù)值模擬結(jié)果對比

5 結(jié)論

本文基于Midas/FEA建立了大體積承臺混凝土水化熱模型，分析了不同水化熱參數(shù)對承臺溫度、應力的影響規(guī)律，確定了符合項目承臺施工的溫控方案，并通過現(xiàn)場測試對比驗證了方案的可行性。得到的結(jié)論如下：

1) 承臺混凝土水化熱階段的最高溫度在澆筑完成90 h后出現(xiàn)，且位于承臺核心處。分層澆筑不會改變溫度峰值到來的時間，但可以顯著降低最高溫度的數(shù)值。

2) 采用分層澆筑、設置管冷系統(tǒng)均可有效改善承臺的應力集中程度，降低峰值應力和持續(xù)時間。但前者分層澆筑改變了澆筑厚度，使得應力峰值的大小和應力均發(fā)生變化；后者不改變應力峰值位置，只改變其大小和作用時間。

3) 通過數(shù)值方法對承臺水化熱參數(shù)敏感性進行分析，確定承臺的溫控方案具有可行性、高效性，可以為大體積承臺的混凝土施工提供參考和依據(jù)。