池忠波

(中鐵建大橋工程局集團(tuán)第一工程有限公司,遼寧 大連 116033)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,橋梁建設(shè)規(guī)模越來越大,大跨橋梁相繼修建[1-3]。其中,懸索橋以其強(qiáng)大的跨越能力和優(yōu)美的結(jié)構(gòu)形式在山嶺地區(qū)備受設(shè)計(jì)者青睞[4]。為滿足橋梁跨度增加所帶來結(jié)構(gòu)承載力、剛度和穩(wěn)定性的需求,懸索橋的承臺(tái)、錨碇和塔柱等均采用大體積混凝土澆筑而成[5]。而錨碇作為懸索橋大體積混凝土的代表,由于四周圍巖封閉,導(dǎo)致散熱有限,若未采取有效的溫控方案,其巨大溫差必將使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫,此處出現(xiàn)溫度裂縫將影響懸索橋的整體性及耐久性,甚至危及承載力[6]。

目前,國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于大體積混凝土開展了研究。曾旅中[7]以重慶南兩高速太洪長(zhǎng)江大橋兩岸錨碇為工程背景,對(duì)懸索橋錨碇的溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力場(chǎng)開展研究。結(jié)果顯示,新澆筑對(duì)上一層混凝土溫度場(chǎng)產(chǎn)生一定影響,接觸面附近會(huì)有二次升溫的過程;湯蕙嘉[8]以寸灘大橋錨錠為例,利用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了大體積混凝土冷卻水的智能化控制;李自林等[9]對(duì)承臺(tái)中的冷卻水管布置方式開展研究,通過對(duì)冷卻水管的管徑、間距、流速等參數(shù)的分析,得出冷卻水管十字型布置方式的降溫效果優(yōu)于S型布置方式。

由上述研究可見,現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)缺乏懸索橋隧道錨溫度控制技術(shù)的研究。為此,以油溪長(zhǎng)江大橋?yàn)楸尘?對(duì)隧道錨大體積混凝土溫度控制技術(shù)進(jìn)行研究。通過有限元數(shù)值模擬建立隧道錨溫度場(chǎng)分析模型,分析了隧道錨大體積混凝土溫度場(chǎng)分布規(guī)律,進(jìn)而提出相應(yīng)的溫控方案。

1 工程概況

油溪長(zhǎng)江大橋是全長(zhǎng)1 178 m、主跨為760 m的單跨懸索橋,北岸兩個(gè)1.43萬t的隧道錨和南岸1個(gè)1.35萬t的重力錨,利用錨的自重及巖土的摩擦力承擔(dān)2.6萬t的鋼梁及車載重量。北岸隧道錨位于埋深約50 m的深路塹挖方內(nèi),錨體長(zhǎng)70 m,軸心傾角45°,屬于國(guó)內(nèi)第一深挖方超大偏角隧道錨。

隧道錨橫斷面頂部采用圓弧形,側(cè)壁和底部采用直線,前錨面尺寸為9 m×9 m,圓弧半徑5.2 m,后錨面尺寸為14.5 m×14.5 m,圓弧半徑7.5 m,如圖1所示。

圖1 隧道錨示意圖

圖2 5號(hào)區(qū)域隧道錨冷卻水管布置圖

2 隧道錨水化熱控制技術(shù)

2.1 隧道錨分層澆筑

隧道錨采用C40微膨脹聚丙烯合成單纖維混凝土,其抗?jié)B標(biāo)號(hào)不小于P12。左右洞隧道錨混凝土共約11 217.8 m3,屬大體積混凝土施工,采用水平分層澆筑,計(jì)劃隧道錨豎向分為6層,第1層厚10.5 m,第2層厚4 m,第3層、第4層厚均為4.65 m,第5層厚5.3 m,第6層厚8 m。每層施工時(shí)布置冷卻水管降低水化熱,外層保護(hù)層內(nèi)設(shè)置一層Φ6@10 cm的冷軋帶肋防裂鋼筋網(wǎng),以防止錨體混凝土產(chǎn)生裂縫。

2.2 冷卻水管布置

隧道錨冷卻水管采用Φ25 mm×1.2 mm圓管,現(xiàn)場(chǎng)冷卻水管水平、豎直間距均為1 m,上、下相鄰兩層冷卻水管縱橫交錯(cuò)布置,其距離混凝土澆筑面邊緣為0.5 m,彎管直徑1 m。冷卻水管進(jìn)水口、出水口集中布置,每個(gè)基礎(chǔ)分塊單層水管進(jìn)出口布置為三進(jìn)三出,奇數(shù)層進(jìn)出水口設(shè)在基礎(chǔ)左右側(cè)方向,偶數(shù)層進(jìn)出水口設(shè)在大小里程方向。

3 隧道錨施工期仿真分析

3.1 模型的建立與單元?jiǎng)澐?/h3>

在建立隧道錨模型時(shí),考慮到隧道錨不是獨(dú)立存在,而是受到周圍圍巖對(duì)其熱傳遞作用和受力影響,為盡可能準(zhǔn)確地反映隧道錨計(jì)算過程中熱邊界和應(yīng)力邊界的確定問題,建立了一個(gè)隧道錨周圍圍巖與隧道錨的整體模型。隧道式錨錠關(guān)于斷面中線成對(duì)稱結(jié)構(gòu),為有效完成模型計(jì)算并節(jié)約時(shí)間成本,可建立一半模型分析,在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí),綜合考慮施工模擬所需情況以及計(jì)算效率,模型中采用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,在保證計(jì)算精度的前提下,將網(wǎng)格按照500 mm劃分,如圖3所示。

圖3 隧道錨有限元模型

3.2 材料參數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)文件要求,該工程采用C40微膨脹聚丙烯合成纖維混凝土,在數(shù)值模擬分析時(shí),巖石地基和混凝土的熱力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 材料熱力參數(shù)

3.3 邊界與荷載

(1)邊界條件

在溫度場(chǎng)計(jì)算過程中,首先應(yīng)考慮物質(zhì)間的對(duì)流邊界,以保證熱傳導(dǎo)。在本工程中,混凝土與空氣的自然對(duì)流采用面對(duì)流,養(yǎng)護(hù)條件下只有隧道頂面混凝土與空氣產(chǎn)生熱對(duì)流,故采用面對(duì)流,而且圍巖不與外界進(jìn)行熱傳遞,因此采用恒定溫度20 ℃;其次在圍巖周邊應(yīng)設(shè)置三個(gè)方向自由度,并約束隧道錨和對(duì)稱面的X位移自由度。

(2)荷載條件

配合比按照設(shè)計(jì)文件中采用,如表2所示。

表2 C40混凝土配合比 單位:kg/m3

根據(jù)混凝土絕熱溫升計(jì)算方法,由公式(1)計(jì)算的C40混凝土絕熱溫升為49.851 6 ℃。

(1)

式中:T(t)為t時(shí)刻混凝土的絕對(duì)溫升,℃;W為混凝土的膠凝材料用量,kg/m3;Q為水泥水化熱,kJ/kg;C為混凝土比熱容,可取0.92～1.0 kJ/(kg·℃);ρ為混凝土的質(zhì)量密度,可取2 400～2 500 kg/m3;m為與水泥品種、澆筑溫度等有關(guān)的系數(shù),可取0.3～0.5;t為齡期。

同時(shí),考慮到實(shí)際混凝土澆筑過程中會(huì)采取冷卻水管降溫措施,因此根據(jù)設(shè)計(jì)文件,按直徑40 mm,進(jìn)水溫度20 ℃,流速為20～60 cm/s,對(duì)流系數(shù)為1 192.83 kJ/(m·h·℃),考慮冷卻水對(duì)混凝土澆筑水化熱的影響。

4 隧道錨仿真分析結(jié)果

在實(shí)際混凝土澆筑施工過程中采用分層澆筑的方案,根據(jù)其澆筑的混凝土體積可以分為三部分:底部區(qū)、中間區(qū)、頂層區(qū)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,澆筑共分為16層(見圖4),每一層澆筑高度為2 m,其中M1-M3為底部區(qū),M4-M6為中部區(qū),M7為頂部區(qū)。各層分別在層頂、層底50 cm處布置兩層冷卻管,圖4中虛線即代表冷卻水管,每2條虛線為一個(gè)澆筑層。每層混凝土澆筑及養(yǎng)護(hù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),而實(shí)際施工過程中,工期緊張,為加快施工進(jìn)度,現(xiàn)以設(shè)計(jì)文件為基礎(chǔ),對(duì)現(xiàn)有澆筑方案進(jìn)行優(yōu)化,采用有限元軟件對(duì)中部區(qū)最大澆筑層以及支承于圍巖上的底部區(qū)為例,按澆筑高度為3 m、4 m分別進(jìn)行水化熱計(jì)算,通過對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行預(yù)分析,來驗(yàn)證優(yōu)化方案的可行性。

圖4 隧道錨分層澆筑示意圖

冷卻管中水溫為20 ℃,混凝土的入模溫度為20 ℃時(shí),對(duì)中部區(qū)和底部區(qū)分別按混凝土澆筑厚度為2.0、3.0、4.0 m三種情況進(jìn)行模擬計(jì)算。

4.1 溫度場(chǎng)分析結(jié)果

由圖5可知,當(dāng)隧道錨澆筑高度為2 m時(shí),底部區(qū)中心溫度為53.5 ℃,表面溫度為29.9 ℃,內(nèi)表溫差為23.6 ℃;澆筑高度為3 m時(shí),底部區(qū)中心溫度為63.1 ℃,表面溫度為27 ℃,內(nèi)表溫差為36.1 ℃;澆筑高度為4 m時(shí),底部區(qū)中心溫度為63.5 ℃,表面溫度為24.3 ℃,內(nèi)表溫差為39 ℃。綜上可知,隨著隧道錨澆筑高度的增加,內(nèi)表溫差越大。雖然隧道錨處于半封閉自然環(huán)境內(nèi),減少了空氣對(duì)流,使得錨洞內(nèi)的溫、濕度較為穩(wěn)定,有利于內(nèi)外溫差的控制,但是隧道錨使用C40混凝土,發(fā)熱量大,內(nèi)部溫度高,導(dǎo)致內(nèi)表溫差較大。

圖5 不同澆筑厚度下隧道錨溫度分布云圖

澆筑高度4 m時(shí),底部區(qū)內(nèi)表溫差為39 ℃。中部區(qū)中心溫度為60.6 ℃,表面溫度為24.6 ℃,內(nèi)表溫差為36 ℃。底部區(qū)由于沒有冷卻水管,缺少降溫措施,故兩區(qū)域內(nèi)表溫差存在差異性。根據(jù)規(guī)范[10]要求,當(dāng)混凝土厚度為1.5～2.5 m時(shí),表里溫度不應(yīng)超過25 ℃,混凝土厚度大于2.5 m時(shí),表里溫差不應(yīng)超過28 ℃。因此按照規(guī)范要求,隧道錨應(yīng)按照2 m澆筑高度施工,以防止出現(xiàn)有害裂縫。

4.2 應(yīng)力分析結(jié)果

針對(duì)隧道錨索中部區(qū)和底部區(qū)混凝土澆筑厚度分別為2.0、3.0、4.0 m不同情況下進(jìn)行熱應(yīng)力分析,圖6為澆筑過程中隧道錨峰值溫度主應(yīng)力云圖。

圖6 不同澆筑厚度下隧道錨應(yīng)力分布云圖

由圖6可知,隧道錨澆筑及養(yǎng)護(hù)過程中,混凝土由中心開始產(chǎn)生熱量,在溫度逐漸升高時(shí),熱量由內(nèi)部向表面?zhèn)鬟f,由于表面混凝土與外界接觸,散熱較內(nèi)部而言相對(duì)較快,從而在里表混凝土產(chǎn)生溫度差,內(nèi)部區(qū)域受到表面約束從而產(chǎn)生壓應(yīng)力,表面出現(xiàn)拉應(yīng)力。而在養(yǎng)護(hù)過程中,溫度下降從混凝土表面開始,因此內(nèi)部區(qū)域降溫收縮時(shí),受到表層混凝土的約束作用,因此在內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力。

中部區(qū)的混凝土主要受已硬化混凝土的約束作用,比底部區(qū)混凝土所受基巖的約束作用強(qiáng),故溫度應(yīng)力略高。從云圖中可以發(fā)現(xiàn),最大主拉應(yīng)力主要分布在冷卻水管周圍,這是由于升溫過程中,冷卻水始終為20 ℃,流體與水管發(fā)生熱量交換時(shí)管周溫度梯度較大,出現(xiàn)拉應(yīng)力,而在實(shí)際澆筑時(shí),冷卻水溫度持續(xù)通入,溫度也會(huì)逐漸升高,保證進(jìn)水溫度與混凝土芯部溫度滿足規(guī)范要求,進(jìn)而減少管周溫度梯度,同時(shí)可忽略該拉應(yīng)力的影響。

對(duì)于底部區(qū)而言,除混凝土中心以外,在轉(zhuǎn)角處也會(huì)出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力,這主要是因?yàn)樾聺仓炷潦艿絿鷰r的約束影響發(fā)生收縮變形,在底部會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

5 結(jié) 論

以油溪長(zhǎng)江大橋中的隧道錨為工程背景,對(duì)大體積混凝土溫度控制技術(shù)進(jìn)行了研究。通過有限元數(shù)值模擬建立了不同澆筑厚度下的有限元模型,得到以下結(jié)論。

(1)隧道錨澆筑厚度由4 m變?yōu)? m時(shí),內(nèi)部最高溫度由63.5 ℃變?yōu)?3.5 ℃,最高溫度降低了10 ℃,內(nèi)表溫差由39 ℃變?yōu)?3.6 ℃。由不同澆筑厚度下隧道錨的溫度場(chǎng)變化可知,隨著隧道錨澆筑高度的增加,內(nèi)表溫差越大。雖然隧道錨處于半封閉自然環(huán)境內(nèi),減少了空氣對(duì)流,使得錨洞內(nèi)的溫、濕度較為穩(wěn)定,有利于內(nèi)外溫差的控制,但是隧道錨使用C40混凝土,發(fā)熱量大,內(nèi)部溫度高,導(dǎo)致內(nèi)表溫差較大。

(2)相比于隧道錨底部區(qū)混凝土而言,中部區(qū)的混凝土主要受已硬化混凝土的約束作用,比底部區(qū)混凝土所受基巖的約束作用強(qiáng),故溫度應(yīng)力略高。對(duì)于隧道錨底部區(qū)而言,除混凝土中心以外,在轉(zhuǎn)角處也會(huì)出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力。由于新澆筑混凝土受到圍巖的約束影響發(fā)生收縮變形,因此在底部會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

(3)所采用的混凝土配合比、冷卻水管布設(shè)方案和2 m澆筑厚度,可有效降低混凝土所產(chǎn)生的水化熱,降低內(nèi)表溫差,達(dá)到了預(yù)期的溫控目標(biāo)。