付興剛， 杜黎明， 王嘉豪

(1.重慶交通大學(xué)， 重慶 400074； 2.中鐵十二局集團第四工程有限公司， 西安 710000)

大體積混凝土硬化過程中散熱困難，混凝土內(nèi)外溫差大，其溫度應(yīng)力差會進一步引起混凝土開裂[1]，已有研究表明，合理布置冷卻水管與有效的施工管理措施能較好地降低混凝土內(nèi)部溫度及內(nèi)外溫差，進一步降低溫度應(yīng)力差[2-9]。周禮庚[10]揭示了設(shè)置冷卻水管對大體積混凝土內(nèi)部溫度場的影響規(guī)律，為采用冷卻水管進行大體積混凝土溫度控制提供了理論指導(dǎo)。其次，蔣科、Wilson、王高勝、馬良、涂建屏等[11-15]采用有限元方法對承臺內(nèi)部降溫過程進行模擬，研究了大體積混凝土的溫度場及大體積混凝土裂縫成因，指出提前模擬水化熱的反應(yīng)過程，采取對應(yīng)措施，也能達到控制水化熱、預(yù)防病害的目的；李東等[16]對現(xiàn)有模型進行了優(yōu)化，提出了與實測吻合良好的粉煤灰摻入和溫度影響的混凝土水化放熱模型；周引[17]總結(jié)的大體積混凝土溫度場、應(yīng)力場的基本理論及有限元計算方法，都可有效模擬大體積混凝土的施工過程。已有研究發(fā)現(xiàn)，不同的混凝土配合比對水化熱也有較大影響，于濤[18]計算了不同混凝土配合比方案的水化熱，得到了厚度為3 m的混凝土結(jié)構(gòu)最大內(nèi)外溫差，提出了對厚度不小于3 m的橋梁承臺需設(shè)置冷卻水布置系統(tǒng)。

綜上文獻分析，大體積混凝土溫度研究在計算方面已有大量研究，但針對具體工程，在不同邊界的實測數(shù)據(jù)分析方面文獻較少。本文結(jié)合實體工程，研究不同邊界下的大體積混凝土溫度變化規(guī)律及對應(yīng)措施。

1 工程概況

本橋為特大型鋼管混凝土拱橋，橋梁全長506 m，主拱330 m，拱座為大體積混凝土，橫橋向?qū)?9 m，南岸拱座分為9個單元，北岸拱座分為13個單元，采用分層澆筑，混凝土配合比為水泥∶砂∶碎石∶水∶聚羧酸減水劑=375∶729∶1 006∶165∶5，北岸拱座布設(shè)、澆筑順序及澆筑高度如圖1所示。本工程采用內(nèi)降外保的措施，冷管采用薄壁焊接鋼管，直徑57 mm，壁厚2.5 mm，豎向、橫向間距分別取1 m、1.5 m，距模板的最大距離小于1 m，第1層距混凝土澆筑面的距離為1 m，連續(xù)澆筑24 h，澆筑完畢后立即通冷水，由于施工條件限制，1 d后冷卻水?dāng)嚅_。溫度監(jiān)測從澆筑完成時開始測試。

單位：cm

1.1 測點布置

選取北岸拱座第⑧單元作為研究對象，其澆筑方量1 745.38 m3，澆筑高度3.63 m，左右2幅橫向澆筑長度都為14.5 m，測點布置分為上中下3層，且均為等間距布置，具體布置如圖2所示。

(a) 側(cè)立面布置

1.2 邊界劃分

⑧單元底部為已澆混凝土，臨空面及側(cè)面為模板，背靠巖層，頂層為自由面與空氣接觸，故將邊界分為空氣邊界、巖層邊界、混凝土邊界3類。⑧單元臨空面、頂面與空氣接觸，除背部與巖層接觸面處，劃分為空氣邊界，埋設(shè)1#、2#、3#、6#、9#、12#、15#、16#、17#、18#、19#、20#、21#傳感器；內(nèi)部為現(xiàn)澆混凝土，劃分為混凝土邊界，埋設(shè)4#、5#、7#、8#、10#、11#、13#、14#傳感器；混凝土背靠巖層，劃分為巖層邊界，埋設(shè)22#～30#傳感器。

2 數(shù)值仿真與實測分析

2.1 數(shù)值模擬

2.1.1 邊界條件

邊界條件采用大體積混凝土水化熱有限元計算中的第1、3、4類邊界條件。

1) 第1類邊界(固體表面溫度)

混凝土表面溫度為常量，如式(1)：

T(t)=T1(t)

(1)

式中：T(t)為固體表面溫度，取常量為15 ℃。

2) 第3類邊界(對流邊界)

現(xiàn)澆混凝土表面與空氣接觸時，混凝土表面與空氣熱量對流，模型中主要體現(xiàn)為在對界面取用對流系數(shù)，具體表達為式(2)：

(2)

式中：α為對流系數(shù)，有模板取13 kJ/(m·hr·T)、無模板取11.79 kJ/(m·hr·T)；T2為環(huán)境溫度，取10 ℃。

3) 第4類邊界(固體接觸邊界)

2種固體接觸熱量傳遞可采用式(3)計算：

T=T3

(3)

式中：γ1、γ2為混凝土與巖層導(dǎo)熱系數(shù)，取值見表1。

表1 參數(shù)取值

2.1.2 有限元建模

根據(jù)實際施工過程，?、鄦卧⒉糠症迒卧c部分山體進行建模，⑥單元混凝土底面、臨空面、側(cè)面與背面采用固體接觸邊界，表面采用對流邊界；⑧單元臨空面、側(cè)面采用有模板對流邊界，頂層自由面采用無模板對流邊界；山體背面、側(cè)面與表面采用固體接觸邊界，臨空面采用對流邊界。環(huán)境溫度取10 ℃。根據(jù)表1參數(shù)取值，建立有限元模型，如圖3所示。

圖3 有限元模型

2.1.3 有限元模擬結(jié)果分析

對3種不同邊界，取中間層不同邊界處實測溫度與模擬結(jié)果進行對比，分別取8#與14#(混凝土邊界)、20#(空氣邊界)、29#(巖層邊界)4個測點進行對比，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，實測與模擬結(jié)果誤差在6 ℃以內(nèi)，擬合較好。

(a) 8#測點

2.2 溫度實測結(jié)果

2.2.1 底層實測結(jié)果

各測點底層溫度變化規(guī)律如圖5所示。在1#、16#、19#空氣邊界處，最高溫度分別為39.87 ℃、47.31 ℃、40 ℃。1#、16#水化熱在齡期108 h、19#在齡期251 h時恢復(fù)常溫?；炷吝吔缏裨O(shè)4#、7#、10#、13#傳感器，最高溫度45 ℃左右，平均極速升溫速率都在0.75 ℃/h左右；隨后進行緩慢升溫，升溫速率為0.05 ℃/h左右，最終峰值溫度在55 ℃左右，4處位置的溫度變化一致，都為極速升溫后再緩慢上升。在巖層邊界22#、25#、28#傳感器埋設(shè)處，3處溫度變化規(guī)律與底層混凝土邊界相似，在1/4巖層處出現(xiàn)極速升溫后緩慢升溫狀態(tài)。3處(極速升溫)溫度峰值一致，44 ℃左右，分別為44.18 ℃、43.5 ℃、43.81 ℃，峰值都在齡期29.1 h時取得。

圖5 底層實測結(jié)果

2.2.2 中間層實測結(jié)果

中間層溫度實測結(jié)果如圖6所示。在空氣邊界處2#、17#、20#位置的最高溫度依次為43.43 ℃、51.62 ℃、52.18 ℃。2#、17#位置在齡期18.8 h達到最高溫度，20#在29 h達到峰值溫度?；炷梁诵牟课宦裨O(shè)5#、8#、11#、14#傳感器，溫度變化分為3個階段：極速升溫、緩慢升溫、緩慢降溫，在齡期88.7 h時達到峰值溫度67.50 ℃，極速升溫速率1.21 ℃/h～1.33 ℃/h，平均升溫速率0.51 ℃/h左右；隨后出現(xiàn)緩慢降溫。23#、26#、29#傳感器位置為中間層的巖層邊界，溫度峰值分別為64.12 ℃、61.50 ℃、55.75 ℃。23#、29#在齡期58.43 h、26#在齡期36 h時取得峰值溫度，極速升溫再緩慢降溫。

圖6 中間層實測結(jié)果

2.2.3 頂層實測結(jié)果

頂層3#、6#、9#、12#、15#、18#、21#位置外界均為空氣，溫度變化規(guī)律如7所示。在3#、18#、21#處溫度變化規(guī)律與底層對應(yīng)位置基本一致，在齡期13.68 h左右達到峰值溫度，分別為39.43 ℃、55.62 ℃、41.87 ℃。9#、6#、12#、15#越靠近核心混凝土處峰值溫度越高，平均升溫速率越高，溫度峰值分別為32.06 ℃、35.81 ℃、41.12 ℃、48 ℃；升溫速率分別為0.44 ℃/h、0.57 ℃/h、0.64 ℃/h、0.74 ℃/h；降溫速率基本一致，為0.07 ℃/h左右。巖層邊界為24#、27#、30#傳感器埋設(shè)處，在齡期16.93 h時達到最高溫度，分別為56.18 ℃、51.68 ℃、42.37 ℃，平均升溫速率依次為2.12 ℃/h、1.69 ℃/h、1.23 ℃/h，平均降溫速率分別為0.17 ℃/h、0.13 ℃/h、0.08 ℃/h。

圖7 頂層實測結(jié)果

2.2.4 邊界條件對水化熱的影響分析

底層在不同邊界下最高溫度都在混凝土齡期29.1 h時取得，峰值(混凝土邊界急速升溫)溫度相近，在43 ℃左右，混凝土邊界處溫度變化為在急速升溫后緩慢升溫，在混凝土底部中心混凝土位置處需要嚴格控制冷卻水的通水流量及時間。中間層混凝土在不同邊界處溫度變化不同，最高溫度：空氣邊界<巖層邊界<核心混凝土；空氣邊界為急速升溫后急速降溫，混凝土邊界與巖層邊界為急速升溫后緩慢降溫。頂層空氣邊界側(cè)邊在13.68 h達到峰值，表面在30.17 h達到峰值，巖層邊界接觸面積增長，最高溫度降低，平均升溫速率也變慢，后期曲線趨于平緩，邊界的不同對降溫速率影響不大。

3 結(jié)論

1) 數(shù)值模擬與實測結(jié)果擬合較好，最高溫度誤差在6 ℃內(nèi)，所使用的各類參數(shù)可應(yīng)用于類似工程。根據(jù)核心混凝土邊界實測數(shù)據(jù)分析及有限元擬合顯示，在水化熱反應(yīng)階段，混凝土表面對流系數(shù)對混凝土核心區(qū)域溫度影響不大。

2) 在水化熱控制整個過程中,邊界條件對底層前期升溫階段及頂層后期降溫階段影響不大。底層降溫階段、頂層升溫階段、中間層全過程，邊界條件對水化熱的影響不可忽略。

3) 混凝土各部位溫度在不同邊界處前期升溫階段差距不大，內(nèi)外溫差主要由后期不同邊界處的不同升溫時間或混凝土邊界升溫、空氣邊界降溫這2種因素造成。澆筑完成后，底層29.1 h、中間層18.8 h之后嚴格控制循環(huán)水，頂層13.68 h之后應(yīng)增加保溫措施。