陳康軍

(湖南聚創(chuàng)建筑科技有限公司，湖南 長沙 410205)

混凝土成型過程中產(chǎn)生的大量水化熱在內(nèi)部積聚得不到有效散發(fā)，形成的溫度梯度效應(yīng)導(dǎo)致混凝土開裂的問題備受重視，橋梁承臺、錨墊等大體積混凝土的溫控一直是施工過程中的重點、難點，稍有不慎將導(dǎo)致巨大經(jīng)濟損失。即使普遍認為尺寸不大的混凝土，也時常因為溫控不當(dāng)導(dǎo)致混凝土開裂。某在建橋梁工程實心墩最小尺寸僅為2 m，混凝土澆筑時由于溫控措施考慮不周導(dǎo)致內(nèi)部溫度過高，拆模后表面溫度迅速降低，造成內(nèi)外溫度變大，拆模1 h后表面產(chǎn)生大量裂紋。溫度應(yīng)力引起的裂縫具有裂縫寬、上下貫通等特點，對結(jié)構(gòu)承載力、耐久性等都會產(chǎn)生很大影響。如不加以控制，裂縫將向深層發(fā)展，對工程結(jié)構(gòu)帶來很大安全隱患，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。該文以湖南官新(官莊—新化)高速公路馬路口特大橋6#主墩承臺大體積混凝土施工為例，采用三維有限元軟件MIDAS/Civil對大體積混凝土承臺溫控技術(shù)進行研究。

1 工程概況

馬路口特大橋為雙塔雙索面斜拉橋，主橋跨徑為160 m+500 m+160 m。6#主墩承臺為矩形截面，尺寸為22.800 m×39.827 m×6.000 m(順橋向×橫橋向×厚度)，塔座為高2 m的楔形體。基礎(chǔ)采用24φ2.8 鉆孔灌注樁，橫橋向、順橋向樁中心距為6 m。

主墩承臺及塔座均采用C45混凝土，6#墩承臺按照2.5 m+3.5 m分層澆筑。采用圖1所示冷卻管布置方案，第一層澆筑體2.5 m布置2層水管，第二層澆筑體3.5 m布置3層水管，層距均為1.25 m。在水平方向，在澆筑體受環(huán)境溫度影響較大的周邊布置一圈冷卻管，在受環(huán)境溫度影響較小的中心區(qū)域單獨布置冷卻管。冷卻管直徑為42 mm，壁厚為2 mm，水平間距為1.0 m。

圖1 6#墩承臺第一、第二層冷卻管平面布置(單位：cm)

2 仿真分析參數(shù)確定及模型建立

2.1 計算參數(shù)確定

(1) 混凝土參數(shù)?；炷翉姸葹镃45，其徐變與收縮系數(shù)曲線、強度發(fā)展曲線均由MIDAS/Civil軟件自動給出(實驗室未能提供該參數(shù))，混凝土比熱為1.046 kJ/(kg·℃)，熱傳導(dǎo)率為10.08 kJ/(m·h·℃)。

(2) 混凝土絕熱溫升函數(shù)。實驗室提供的C45混凝土初始配合比見表1，該配合比不能滿足28 d強度要求。施工前對C45混凝土配合比進行調(diào)整，調(diào)整后配合比見表1。水泥采用P.O52.5普通硅酸鹽水泥，單方混凝土水泥用量采用規(guī)范推薦的最大值。

表1 C45混凝土的配合比 kg/m3

每千克水泥的水化熱值由混凝土廠家提供，m值根據(jù)GB 50496—2018 附錄B查表取0.55，混凝土絕熱溫升計算參數(shù)取值見表2。據(jù)此得到初始配合比混凝土與調(diào)整配合比后混凝土的絕熱溫升公式分別為：

表2 混凝土絕熱溫升計算參數(shù)取值

T(t)=35.7(1-e-0.55t)

(1)

T(t)=41.3(1-e-0.55t)

(2)

(3) 其他參數(shù)。冷卻管進口水溫為20 ℃，流量為6.0 m3/h。冷卻水對流系數(shù)為371 W/(m2·K)，環(huán)境對流傳熱系數(shù)為14 W/(m2·K)。根據(jù)計劃澆筑時間，參考該橋所在地區(qū)2020年5月的氣溫，以“時間-溫度”自定義函數(shù)形式輸入。

2.2 仿真計算模型建立

采用MIDAS/Civil建立該橋6#主墩承臺全尺寸模型，該模型共劃分為8 636個八節(jié)點實體單元(見圖2)。為描述混凝土將熱量傳遞給墊層的情況，將墊層模擬為具有一定比熱和熱傳導(dǎo)率的結(jié)構(gòu)。由于6#墩墊層底部不與地基接觸，每層澆筑體及臺座四周邊界取為與大氣接觸的環(huán)境溫度單元對流邊界，墊層底部節(jié)點按固結(jié)進行模擬計算。

圖2 承臺仿真分析模型

3 混凝土澆筑過程溫控分析

3.1 不設(shè)置內(nèi)部冷卻管時溫度及應(yīng)力分析

不設(shè)置內(nèi)部冷卻管的條件下，以第一層混凝土澆筑為列，7 d齡期時內(nèi)部溫度達到57 ℃，直至28 d時內(nèi)部溫度始終維持在56 ℃以上，說明自然冷卻的效率不明顯(見圖3、圖4)。7 d齡期時拉應(yīng)力峰值為3.08 MPa,此時容許拉應(yīng)力為3.20 MPa,安全系數(shù)為1.04；14 d齡期時拉應(yīng)力峰值為3.99 MPa,此時容許拉應(yīng)力為3.42 MPa,拉應(yīng)力峰值大于容許拉應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土開裂(見圖5、圖6)。

圖3 不設(shè)置內(nèi)部冷卻管的條件下7 d齡期時溫度場(單位：℃)

圖4 不設(shè)置內(nèi)部冷卻管的條件下28 d齡期時溫度場(單位：℃)

圖5 不設(shè)置內(nèi)部冷卻管的條件下7 d齡期時拉應(yīng)力(單位：Pa)

圖6 不設(shè)置內(nèi)部冷卻管的條件下14 d齡期時拉應(yīng)力(單位：Pa)

3.2 不同配合比時溫度及應(yīng)力分析

3.2.1 溫度場

如圖7、圖8所示，原混凝土配合比條件下第一、第二層澆筑180 h后混凝土內(nèi)部分別出現(xiàn)55.89 ℃、55.94 ℃溫度峰值；調(diào)整配合比后第一、第二層澆筑180 h后混凝土內(nèi)部分別出現(xiàn)59.32 ℃、59.37 ℃溫度峰值，滿足規(guī)范中入模溫升值不大于50 ℃的要求(入模溫度20 ℃)；不同配合比時2層澆筑體溫度峰值出現(xiàn)的時間基本相同，調(diào)整配合比后溫度峰值升高約3.4 ℃。

圖7 不同配合比時第一層混凝土澆筑后最高溫度時刻溫度場(單位：℃)

圖8 不同配合比時第二層混凝土澆筑后最高溫度時刻溫度場(單位：℃)

3.2.2 溫度應(yīng)力分析

如圖9、圖10所示，原配合比條件下第一、第二層澆筑完成192 h后混凝土表面分別出現(xiàn)2.13 MPa、2.22 MPa拉應(yīng)力峰值；調(diào)整配合比后第一、第二層澆筑完成192 h后混凝土表面分別出現(xiàn)2.35 MPa、2.42 MPa拉應(yīng)力峰值；不同配合比時2層澆筑體拉應(yīng)力峰值出現(xiàn)的時間基本相同，調(diào)整配合比后拉應(yīng)力峰值升高約0.22 MPa。

圖9 不同配合比時第一層混凝土澆筑后拉應(yīng)力(單位：Pa)

圖10 不同配合比時第二層混凝土澆筑后拉應(yīng)力(單位：Pa)

3.2.3 溫度及拉應(yīng)力安全系數(shù)分析

分層澆筑時不同配合比下混凝土內(nèi)外溫差見表3，溫度應(yīng)力及安全系數(shù)見表4。原配合比條件下入模溫升值、內(nèi)外溫差及3 d、7 d、28 d、42 d齡期拉應(yīng)力均在規(guī)范要求范圍內(nèi)；調(diào)整配合比后上述指標(biāo)符合規(guī)范要求，但溫度峰值、拉應(yīng)力峰值較前者提高，相應(yīng)的拉應(yīng)力安全系數(shù)較前者偏小，最小值出現(xiàn)在第二層混凝土澆筑7 d左右，為1.40，開裂的可能性很低，調(diào)整后C45混凝土配合比可行。

表3 分層澆筑內(nèi)外溫差 ℃

表4 溫度應(yīng)力及安全系數(shù)

4 大體積混凝土溫度監(jiān)測控制系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)簡介

設(shè)計大體積混凝土監(jiān)測控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由監(jiān)測與控制兩部分組成。監(jiān)控系統(tǒng)由綜合采集儀(應(yīng)力應(yīng)變與溫度采集)與溫度傳感器、應(yīng)力應(yīng)變傳感器組成，控制系統(tǒng)包括可編程邏輯控制器PLC(中央處理器)、多級立式變頻泵、水箱(設(shè)置加冷水泵調(diào)低水溫及電動閥排出熱水)等。

4.2 溫度梯度控制

4.2.1 同一層相鄰點溫度梯度控制

相鄰2個溫度監(jiān)測點j、k的溫差按下式計算：

(3)

式中：i為層數(shù)。

(4)

(5)

(6)

4.2.2 同一位置相鄰層溫度梯度控制

相鄰層的溫差按下式計算：

(7)

ΔTji-i+1滿足式(8)時維持相鄰兩層的冷卻水泵頻率。

(8)

(9)

ΔTji-i+1滿足式(10)時，調(diào)整溫度高的一層(一般為近中心層)的冷卻水泵頻率為50 Hz。j在外表面位置時加蓋保溫層。

(10)

4.3 進出口水溫控制流程

Tmax-T1≤25 ℃條件為“否”時，啟動加水泵往水箱內(nèi)加入冷水，開啟水箱電動閥排水。再次檢查水溫直至該條件為“是”時停止排出熱水和加入冷水。

4.4 降溫過程控制流程

在遵循溫度梯度原則的前提下，第i層j位置大體積混凝土整體降溫速率控制模型為：

ΔTij≤1.5 ℃/d

(11)

1.5 ℃/d≤ΔTij≤2.0 ℃/d

(12)

ΔTij≥2.0 ℃/d

(13)

滿足式(11)時維持現(xiàn)狀；滿足式(12)時調(diào)整該層冷卻水泵頻率B在當(dāng)前頻率至50 Hz內(nèi)采用線性內(nèi)插法確定，對應(yīng)流量為(B/50)2×8 m3/h；滿足式(13)時調(diào)整該層冷卻水泵頻率為25 Hz。

當(dāng)內(nèi)部點降溫速率與溫度梯度控制原則沖突時，遵循溫度梯度控制原則，在有可靠措施的基礎(chǔ)上適當(dāng)增大降溫幅度。

5 溫度監(jiān)測結(jié)果及分析

根據(jù)現(xiàn)場溫度監(jiān)測結(jié)果，6#墩承臺第一層混凝土溫控過程中平均溫度變化見圖11，第二層各時段監(jiān)測溫度變化與此差別不大。

圖11 第一層混凝土中心特征點溫度時程曲線

由圖11可知：前7 d混凝土急劇升溫，7 d時溫度熱量積聚后達到峰值59.5 ℃；此后開始降溫，相較于升溫，降溫速率較緩慢。停止通水(實際通水時間為10 d)后通過自然散熱溫度下降幅度較平緩，降溫速率約為1.0 ℃/d，各層混凝土最大升溫值均未超過40 ℃，內(nèi)外溫差最大值均未超過23 ℃，均在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

6 結(jié)論

以湖南官新高速公路馬路口特大橋6#墩承臺大體積混凝土施工為背景，采用MIDAS/Civil模擬施工過程進行仿真分析與智能控制，得到以下結(jié)論：1) 在采用P.O52.5高標(biāo)號水泥、單方混凝土水泥用量達到規(guī)范推薦的最大極限值350 kg/m3且采用普通硅酸鹽水泥的極端條件下，采用合理有效的冷卻管方案和表面保溫保濕措施，能保證施工過程中溫差及拉應(yīng)力可控。2) 根據(jù)2種配合比混凝土溫控過程的仿真分析結(jié)果，水泥用量增加會導(dǎo)致混凝土溫度、拉應(yīng)力峰值上升，開裂風(fēng)險增大，但上升幅度在可控范圍內(nèi)，滿足現(xiàn)場施工要求。3) 采用大體積混凝土溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)可實現(xiàn)溫度實時監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析，通過控制冷卻水流量能保證溫度梯度和整體降溫幅度符合規(guī)范要求，同時節(jié)省監(jiān)控工作量。

大體積混凝土施工中除事前進行計算分析、制訂冷卻降溫方案外，還應(yīng)通過采用低水化熱水泥、降低入模溫度、加強表面保溫保濕、采取氣溫驟降天氣及冷卻水循環(huán)系統(tǒng)故障應(yīng)急處置措施等確保施工過程中混凝土有效降溫，避免混凝土開裂。