張思天 何雄君 何振建
(武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院 武漢 430070)
在大體積混凝土施工過(guò)程中,由于水泥水化熱的作用,混凝土?xí)尫懦龃罅康臒崃?不僅容易產(chǎn)生混凝土結(jié)構(gòu)的溫度變形,且如果溫度不能得到有效控制,還容易產(chǎn)生溫度裂縫,從而影響結(jié)構(gòu)的耐久性和完整性[1-2]。因此,研究大體積混凝土結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)分布規(guī)律,根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)溫度情況采取合適的溫控措施,對(duì)保證大體積混凝土的施工質(zhì)量具有重要意義。
我國(guó)目前對(duì)于控制大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度裂縫方面的研究較為廣泛。文獻(xiàn)[3]等使用midas/FEA有限元軟件,結(jié)合當(dāng)?shù)財(cái)?shù)據(jù)研究并評(píng)價(jià)了大體積基礎(chǔ)的溫控措施。文獻(xiàn)[4]等通過(guò)有限元軟件midas Civil對(duì)比了自然冷卻狀態(tài)下與通水冷卻情況下大橋錨固大體積混凝土的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng),并結(jié)合模擬數(shù)據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工提出了指導(dǎo)意見。文獻(xiàn)[5]同樣采用水管溫控方案控制橋梁墩柱承臺(tái)大體積混凝土施工溫度,并從混凝土配合比、攪拌方案,及養(yǎng)護(hù)方案等多方面進(jìn)行控制,從而提高結(jié)構(gòu)的抗裂性能。雖然對(duì)大體積混凝土溫控方法的研究已經(jīng)較為全面[6-7],但在實(shí)際工程中仍會(huì)遇到許多問(wèn)題。近年來(lái)懸索橋、斜拉索橋的索塔承臺(tái)、墩柱逐漸趨向于大型化和復(fù)雜化,且與水工壩、承臺(tái)、錨固基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)相比,墩柱采用的混凝土等級(jí)較高,并常為不規(guī)則的空心構(gòu)造,因此其溫控方案依舊待探討和研究。
文中以安徽馬鞍山市馬鞍山公鐵兩用長(zhǎng)江大橋主塔下塔柱第一施工節(jié)段為研究對(duì)象,運(yùn)用有限元軟件midas Civil建立塔柱1/2水化熱三維模型,對(duì)塔柱水化放熱過(guò)程和溫控方案進(jìn)行分析設(shè)計(jì),并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)本次工程中選用的冷管系統(tǒng)和溫控措施進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析,為以后類似工程問(wèn)題提供參考意見。
馬鞍山公鐵兩用長(zhǎng)江大橋在常合高速馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋上游約2.3 km處姑孰橋位跨越長(zhǎng)江,采用三塔鋼桁梁斜拉橋橋型,跨江段總長(zhǎng)9.799 km,主跨1 120 m。主塔采用鋼-混結(jié)構(gòu),下塔柱采用C60混凝土,單箱單室五邊形截面,縱、橫向壁厚為1.8 m,塔柱內(nèi)側(cè)設(shè)置0.5 m×0.5 m的倒角,沿高度分5層施工。
下塔柱大體積混凝土施工溫控與常規(guī)承臺(tái)等形狀規(guī)整的普通混凝土大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工溫控相比,具有構(gòu)形復(fù)雜,大體積混凝土水化熱等規(guī)律研究較少等特點(diǎn)。溫控的主要內(nèi)容如下:①對(duì)高標(biāo)號(hào)、復(fù)雜構(gòu)形大體積混凝土施工過(guò)程溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析;②確定溫控指標(biāo)與溫控措施;③對(duì)大體積混凝土溫度場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè);④對(duì)于溫控檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)。
為了準(zhǔn)確監(jiān)控混凝土溫度,本次施工采用多點(diǎn)無(wú)線溫度自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一種功能強(qiáng)大的分布式、全自動(dòng)、多點(diǎn)溫度靜態(tài)數(shù)據(jù)無(wú)線采集系統(tǒng)。由控制單元、采集單元,以及系統(tǒng)軟件組成,系統(tǒng)可配接各種溫度傳感器。系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu),每個(gè)采集單元的任意通道可接入各種溫度傳感器,且能任意組成8~2 000測(cè)點(diǎn)的自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)無(wú)線傳輸方案見圖1,可長(zhǎng)期、自動(dòng)地對(duì)墩柱進(jìn)行遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控。
圖1 測(cè)溫儀器無(wú)線傳輸方案
根據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)稱性的特點(diǎn),選取1/2結(jié)構(gòu)作為主要的測(cè)試區(qū)域。根據(jù)溫度場(chǎng)分布規(guī)律與有限元軟件模擬,以及冷卻水管的位置、進(jìn)出水口的位置,選擇在溫度波動(dòng)較大的中心處、邊緣易受外界溫度影響和流失熱量處,以及倒角處設(shè)置共計(jì)4層測(cè)點(diǎn),溫控測(cè)點(diǎn)布置圖見圖2。
圖2 溫控測(cè)點(diǎn)布置圖(單位:cm)
溫度監(jiān)測(cè)主要內(nèi)容包括環(huán)境體系溫度測(cè)量與混凝土溫度場(chǎng)測(cè)量。環(huán)境溫度包括大氣溫度、冷卻水進(jìn)水、出水溫度等?,F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)要求:
1) 澆筑塊溫度測(cè)量:升溫階段每2 h監(jiān)測(cè)1次,混凝土中心測(cè)點(diǎn)溫度不再上升后每4 h監(jiān)測(cè)1次,持續(xù)5 d,然后轉(zhuǎn)入每天測(cè)2次,直到溫度變化基本穩(wěn)定。
2) 大氣溫度測(cè)量:與澆注塊溫度場(chǎng)測(cè)量同步進(jìn)行。
混凝土入模溫度的控制是工程上用于降低溫度應(yīng)力從而減少溫差裂縫的重要手段, 在大體積混凝土工程中更是必不可少的防裂措施。入模溫度控制要求限制溫度最高值和最低值,夏季炎熱天氣下需要采取措施降溫,冬季施工要求保溫,提高混凝土溫度以確保水化反應(yīng)的順利進(jìn)行。綜合馬鞍山市當(dāng)?shù)卮杭練鉁?取混凝土澆筑溫度為20 ℃。
在midas Civil的計(jì)算分析中,結(jié)合配合比和有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范,具體參數(shù)取值如下。
1) 墩柱C60混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)曲線按照CEB-FIP規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行選取。
2) 主橋塔柱混凝土施工用C60高性能混凝土PHB2021-13。利用加權(quán)平均法求解比熱容c及導(dǎo)熱系數(shù)λ。
c=∑ciδi
(1)
λ=∑λiδi
(2)
式中:ci為各種材料比熱容, kJ· (kg·℃)-1;δi為各種材料質(zhì)量百分比。具體計(jì)算參數(shù)見表1。
表1 混凝土材料相關(guān)參數(shù)
冷卻水管采用鍍鋅鋼管,控制參數(shù)見表2。
表2 冷卻水管熱性能參數(shù)
冷卻水管的導(dǎo)熱方程參考文獻(xiàn)[8]方法計(jì)算。
(3)
式中:θ為混凝土溫度,℃;θ0為混凝土初始溫度,℃;θw為冷卻水流入溫度,℃;t為時(shí)間,h;a為導(dǎo)溫系數(shù)a=λ/cρ,m2/h;φ為水冷系數(shù);K為混凝土絕熱溫升,℃;Φ為水冷溫升函數(shù);λ為導(dǎo)熱系數(shù),kJ/(m2·h·℃);c為比熱容,kJ/(kg·℃);ρ為密度,kg/m3。
本次計(jì)算使用midas Civil內(nèi)置默認(rèn)熱源函數(shù),計(jì)算公式為
F(t)=K(1-e-at)
(4)
式中:F(t)為熱源函數(shù);K為混凝土的絕熱溫升值,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)提供的檢測(cè)報(bào)告,C60主橋塔柱混凝土的絕熱溫升值為43.95 ℃;a為常數(shù),與水泥種類、比表面,以及澆筑溫度有關(guān)。
光滑表面在空氣中的放熱系數(shù)約為64 kJ/(m2·h·℃) ,水的導(dǎo)熱系數(shù)為2.16 kJ/(m2·h·℃),取等效換熱系數(shù)約為9.3 kJ/(m2·h·℃)。承臺(tái)基礎(chǔ)表面與已經(jīng)澆筑的2 m段暴露于空氣之中,取大氣的自然熱交換系數(shù)2.78 kJ/(m2·h·℃)。承臺(tái)基礎(chǔ)底端與地表連接部分取固定溫度為20 ℃。
根據(jù)墩柱平面尺寸和冷卻水管布置的對(duì)稱性,墩柱的水化熱計(jì)算模型取墩柱平面的1/2進(jìn)行分析。在對(duì)墩柱混凝土的水化熱有限元仿真計(jì)算中,主要考慮了水泥絕熱溫升、混凝土的強(qiáng)度和彈性模量增長(zhǎng)曲線、冷卻水管等參數(shù),以及墩柱上表面及側(cè)面的對(duì)流邊界。為簡(jiǎn)化計(jì)算,忽略了混凝土澆注過(guò)程中的散熱、混凝土鋼筋的影響,及外加劑減緩混凝土水化熱的作用。
塔柱的有限元仿真計(jì)算模型圖見圖3。
圖3 計(jì)算模型及冷卻水管布置
節(jié)點(diǎn)數(shù)為37 242,劃分單元數(shù)32 064。建模包含了施工段4 m混凝土、已經(jīng)澆筑完成的1.5 m承臺(tái),以及2 m墩柱。冷卻水管分4層設(shè)置共10條,設(shè)置共4組進(jìn)、出水口。
內(nèi)部降溫和表面保溫措施見表3。在溫控實(shí)施過(guò)程中,根據(jù)施工當(dāng)時(shí)氣候情況、 現(xiàn)場(chǎng)條件、 以及混凝土溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)結(jié)果,以下溫控措施可能需要適當(dāng)調(diào)整。
表3 內(nèi)部降溫和表面保溫措施
澆筑后混凝土的溫度變化理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比見圖4。由圖4可知,墩柱大體積混凝土溫度理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的變化規(guī)律均表現(xiàn)為在澆筑后快速上升,到達(dá)頂點(diǎn)維持較短時(shí)間后迅速下降,最后逐漸變緩直至達(dá)到環(huán)境溫度?;炷羶?nèi)部相對(duì)表面,與外界的熱對(duì)流交換效應(yīng)少,因此在受水化熱影響下短時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高溫度,在水化熱效應(yīng)衰退后熱量散失相較表層更慢。
圖4 墩柱混凝土溫度時(shí)程圖
實(shí)測(cè)值于54 h后達(dá)到最高溫度55.1 ℃,有限元模擬值于60 h后達(dá)到最高溫度49.22 ℃。實(shí)測(cè)與模擬溫度最大值出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)和位置較為接近,證明了有限元模擬結(jié)果的可參考性。內(nèi)、外溫差和外表面與環(huán)境溫差時(shí)程圖見圖5,在監(jiān)控過(guò)程中墩柱混凝土內(nèi)部與表面溫差始終小于20 ℃,混凝土表面與環(huán)境溫差基本小于20 ℃,混凝土的最大溫升與升溫、降溫速度均在可控范圍內(nèi),證明在混凝土澆筑后采取的一系列溫控措施有效。在有限元模擬值中,冷卻水溫度時(shí)刻維持設(shè)定值,而實(shí)際情況中冷管內(nèi)部冷卻水在循環(huán)過(guò)程中會(huì)逐漸升溫,導(dǎo)致中心實(shí)測(cè)溫度較模擬值偏高。實(shí)際施工時(shí)氣溫低于有限元模擬設(shè)定氣溫,導(dǎo)致外表面實(shí)測(cè)溫度較模擬值偏低。
圖5 內(nèi)外溫差和外表面與環(huán)境溫差時(shí)程圖
在已有的有限元模型參數(shù)中刪去冷卻水管布置,其他參數(shù)保持不變即可得到無(wú)冷卻水管作用下空心墩柱溫度場(chǎng)分布情況。無(wú)冷卻水管作用下各斷面的溫度場(chǎng)分布圖見圖6,選取距離頂部2 m的水平斷面。由圖6可知,在澆筑初期墩柱內(nèi)混凝土水化放熱作用強(qiáng)烈,水泥水化作用產(chǎn)生的熱量大于外界對(duì)流的散熱量,且越靠近內(nèi)部的混凝土與外界的對(duì)流散熱效應(yīng)越弱,此階段高溫區(qū)域逐漸變大。當(dāng)混凝土溫度達(dá)到最大值后,對(duì)流散熱開始超過(guò)水泥水化作用產(chǎn)熱,混凝土的溫度開始由外向內(nèi)逐漸降低,高溫區(qū)域逐漸減小,并最終與環(huán)境溫度保持一致。在約100 h時(shí)達(dá)到最高溫60.50 ℃,此時(shí)混凝土高溫區(qū)域已經(jīng)開始減小,但墩柱中心仍保持較高的溫度。
圖6 溫度場(chǎng)分布云圖
墩柱混凝土垂直方向內(nèi)部溫度變化的時(shí)程圖見圖7。
圖7 垂直方向內(nèi)部溫度變化時(shí)程圖
由圖7可知,所有測(cè)點(diǎn)的溫度變化規(guī)律均表現(xiàn)為先迅速上升,到達(dá)最高點(diǎn)后再迅速下降,且降溫速度逐漸變慢。在溫度變化的垂直分布上,可以明顯看出相對(duì)高溫區(qū)域有由中心逐漸下移的趨勢(shì)。在升溫階段,底部混凝土由于與導(dǎo)熱率較高的固體相連,因此靠下的測(cè)點(diǎn)最終升溫較低。在降溫階段,由于上部熱量的傳導(dǎo),且墩柱本身截面為梯形,底部混凝土厚度較大產(chǎn)熱較多,因此后期靠下的測(cè)點(diǎn)降溫較慢,溫度反而超過(guò)了靠上的測(cè)點(diǎn)。
與常規(guī)承臺(tái)等形狀規(guī)整的普通大體積混凝土結(jié)構(gòu)相比,墩柱采用的混凝土級(jí)別較高,水泥水化作用放熱更為劇烈,結(jié)構(gòu)整體厚度較薄,溫度分布不均勻且升溫、降溫的速率快,容易由于存在較大的溫差而產(chǎn)生裂縫,因此需要適當(dāng)?shù)臏乜卮胧┻M(jìn)行預(yù)防。
施工全程對(duì)進(jìn)出口水溫進(jìn)行了檢測(cè)。實(shí)測(cè)在整個(gè)施工階段,出水口最高溫度為38.7 ℃,小于40 ℃且與進(jìn)水口溫差不大于10 ℃。此水溫能有效將混凝土中心熱量帶出從而降低混凝土內(nèi)部溫度,同時(shí)也能防止進(jìn)出水口溫差過(guò)大而產(chǎn)生收縮裂縫。對(duì)比有、無(wú)冷卻水管的情況,混凝土內(nèi)、外最大溫差圖見圖8。
圖8 有、無(wú)冷卻水管作用內(nèi)、外溫差對(duì)比圖
由圖8可知,無(wú)冷卻水管狀態(tài)下混凝土內(nèi)、外最大溫差理論值為23.69 ℃。在實(shí)際工程中使用冷卻水管降溫后內(nèi)、外最大溫差實(shí)測(cè)最大值為19.4 ℃,處于規(guī)范值25 ℃以下,相對(duì)無(wú)冷卻水管的理論值減少了4.29 ℃,證明了冷卻水管系統(tǒng)的有效性。
在整個(gè)施工過(guò)程中混凝土內(nèi)、外最大溫差為19.4 ℃,處于規(guī)范值25 ℃以下。單日最大降溫值3.5 ℃,稍高于規(guī)范值2.0 ℃/d。墩柱最高升溫55.1 ℃,處于規(guī)范60 ℃以下。墩柱表面與外部環(huán)境最大差值為25.3 ℃,絕大部分時(shí)間小于規(guī)范值20 ℃。施工完成后墩柱表面沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯裂縫,證明所采取的溫控措施發(fā)揮了一定的作用。
實(shí)際情況中由于施工當(dāng)時(shí)氣候情況、 現(xiàn)場(chǎng)條件等與理想情況存在差異,因此實(shí)際結(jié)構(gòu)與理論計(jì)算結(jié)構(gòu)存在一定差距。大體積混凝土因?yàn)樗療嶙饔卯a(chǎn)生溫度裂縫作為工程中的一大難點(diǎn),在進(jìn)行預(yù)防和控制時(shí)要綜合考慮各項(xiàng)因素,采取符合實(shí)際情況的預(yù)防措施才能將溫度控制指標(biāo)控制在合理范圍內(nèi)。
1) 墩柱中心最高溫度實(shí)測(cè)值55.1 ℃,有限元模擬最高溫度為49.22 ℃。實(shí)測(cè)值與模擬值最大值出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)和位置較為接近。在監(jiān)控過(guò)程中墩柱混凝土內(nèi)部與表面溫差始終小于20 ℃,混凝土表面與環(huán)境溫差基本小于20 ℃,混凝土的最大溫升與升溫、降溫速度均在控制范圍內(nèi),證明了有限元模擬結(jié)果的可參考性及在混凝土澆筑后采取的一系列溫控措施的有效性。
2) 在垂直分布上,墩柱混凝土內(nèi)部溫度有由中心逐漸下移的趨勢(shì)。大體積高強(qiáng)度混凝土空心墩柱水泥水化放熱作用劇烈,結(jié)構(gòu)整體厚度薄,溫度分布不均勻,升溫和降溫快,容易因存在較大溫差而產(chǎn)生裂縫,因此有必要采取相應(yīng)的溫控措施進(jìn)行預(yù)防。
3) 在實(shí)際工程中使用冷卻水管降溫后內(nèi)、外最大溫差實(shí)測(cè)最大值為19.4 ℃,處于規(guī)范值25 ℃以下,相對(duì)無(wú)冷卻水管的理論值減少了4.29 ℃,證明了冷卻水管系統(tǒng)的有效性。實(shí)測(cè)單日最大降溫值3.5 ℃,稍高于規(guī)范值2.0 ℃,此部分控制仍需后續(xù)工作進(jìn)行完善。