王成仁

(中鐵十八局集團第五工程有限公司,天津市濱海高新區(qū)塘沽海洋科技園新北路3199號 300459)

隨著橋梁工程的迅速發(fā)展,在實體橋墩、大跨連續(xù)梁橋懸臂法施工的主墩0號塊、承臺等結(jié)構(gòu)中存在著大體積混凝土的澆筑問題。大體積混凝土施工中,由于混凝土的水化熱無法迅速散出,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)中心區(qū)域溫度過高,導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫,甚至很嚴(yán)重的裂縫導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物報廢。因此,大體積混凝土澆筑過程中的水化熱的數(shù)值分析和施工中的溫度控制,成為施工技術(shù)人員和科研人員關(guān)注的熱點問題。

由于在橋梁結(jié)構(gòu)大體積混凝土施工中,水化熱的影響因素很多。諸如水灰比、混凝土結(jié)構(gòu)物的體積、水泥中礦物C3A含量、水泥顆粒的粗細程度、施工中的養(yǎng)護條件、冷卻水管的布置、外加劑(緩凝劑、減水劑等)使用等因素都會對水化熱產(chǎn)生的總熱量、熱量產(chǎn)生的速率產(chǎn)生影響。這也會體現(xiàn)在混凝土結(jié)構(gòu)中的溫度場分布上,影響到冷卻水管的布置。當(dāng)前,相關(guān)技術(shù)人員對于這方面的研究集中于澆筑過程的入模溫度[1-4]、冷卻水的效果[5-6]、養(yǎng)護過程的溫度控制[7-10]等方面,很少涉及到溫度場的實際監(jiān)測方面,且目前也沒有成熟的研究結(jié)果。文中對新建和邢鐵路蔡家莊特大橋的大體積承臺混凝土施工進行了水化熱的研究和分析,并進行了施工溫度監(jiān)測。

1 工程概況

新建和邢鐵路(和順至邢臺)蔡家莊特大橋全長1227.840m,主跨為1跨96m的簡支鋼桁梁。蔡家莊特大橋主墩大承臺為八邊形結(jié)構(gòu),平面尺寸為12.5m×10.8m(橫橋向×順橋向),承臺高度為3.5m,屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)。主墩承臺采用開挖基坑,鋼板樁圍堰支護施工,承臺頂面設(shè)計高3.658m,底面設(shè)計標(biāo)高0.158m,承臺一次性澆筑,圍堰封底混凝土的厚度為2m。承臺構(gòu)造,如圖1所示。

(a)平面 (b)立面(a)Plan (b)Elevation

2 水化熱控制方案

主墩承臺混凝土一次性澆筑到位,施工中的水化熱控制采用冷卻水管。鋼筋安裝過程中,安裝至冷卻水管高度位置時進行冷卻水管的安裝。根據(jù)承臺的形狀和多次的水化熱模擬計算分析結(jié)果,科學(xué)設(shè)計了冷卻水管方案,冷卻水管采用φ32.8×3.2mm鍍鋅管,管間連接采用普通黑膠管。承臺共布置3層冷卻水管。當(dāng)冷卻水管和承臺鋼筋沖突時,可適當(dāng)調(diào)整冷卻水管位置,但不得切割鋼筋。承臺混凝土采用C35微膨脹混凝土,封底砼采用C20混凝土。

混凝土原材料如下:水泥為英德海螺水泥有限責(zé)任公司硅酸鹽P.O.42.5R水泥;粗集料為惠州金磊建材有限公司5～25mm碎石;外加劑為廣東強仕建材有限公司JB-ZSC高性能減水劑。

根據(jù)承臺的形狀和樁基的位置,布置了3層冷卻水管,冷卻水管的布置如圖2所示。

(a)第二層水管平面 (b)第一、三層水管平面 (c)水管立面

3 仿真分析

混凝土水化熱的計算參數(shù)需要根據(jù)規(guī)范選取,必須根據(jù)混凝土材料的具體參數(shù)、邊界條件等進行精確模擬和計算。

3.1 仿真分析參數(shù)

1)絕熱溫升。根據(jù)《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50496-2018)的相關(guān)條款,混凝土絕熱溫升按下式計算:

(1)

式中,Tu為混凝土最終絕熱溫升,℃;W為每立方米混凝土水泥(含膨脹劑)用量,433kg/m3;Q為膠凝材料水化熱,kJ/kg,P.O.42.5R水泥28天放熱375kJ/kg;C為混凝土比熱,kJ/(kg·K),取0.97;ρ為混凝土的容重,2400kg/m3。

W取408kg/m3,并代入前述參數(shù),可知混凝土絕熱溫升約為65℃。

混凝土絕熱溫升函數(shù)可按式下式采用:

T(t)=Tu(1-e-mt)

(2)

式中,m為與入模溫度、水泥品種和摻合料有關(guān)的系數(shù),根據(jù)經(jīng)驗和實驗室數(shù)據(jù),取0.38。

2)混凝土彈性模量的發(fā)展?；炷翝仓?其彈性模量隨時間的增長曲線采用四參數(shù)雙指數(shù)形式,即:

E(t)=βE0(1-e-φt)

(3)

式中,E(t)為混凝土齡期為t時的彈性模量,MPa;E0為混凝土的彈性模量,可取標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下28d的彈性模量,按《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》表B.3.1取32.5GPa;φ為系數(shù),取0.09;β為摻合料修正系數(shù),根據(jù)規(guī)范和該項目混凝土參數(shù)配比取1.0。

3.2 計算模型

采用MIDAS進行建模計算,上部分為新澆筑的混凝土承臺,下部分為封底混凝土,承臺和封底混凝土的單元類型均采用三維塊體單元。在對承臺混凝土的水化熱有限元仿真計算時,主要考慮了水泥的絕熱溫升、混凝土的強度和彈性模量的增長曲線、冷卻水管的直徑和壁厚參數(shù)。有限元模型邊界條件的模擬時,充分考慮了混凝土承臺上表面和側(cè)面的對流邊界條件、新澆混凝土與封底混凝土固結(jié)接觸的邊界條件。

當(dāng)前橋址位置處大氣平均溫度為20℃,計算取混凝土入模溫度、冷水管冷水流入溫度為20℃,冷水管流量按4m3/h取,承臺四周設(shè)置鋼模板、承臺頂面設(shè)置棉麻對流邊界。由于左右兩個承臺澆筑間隔20d,相互之間影響很小,故可僅取一半進行分析,網(wǎng)格劃分見圖3所示,劃分的模型一共由7131個節(jié)點、5768個實體單元組成。

圖3 主墩承臺水化熱模型Fig.3 Hydration heat model of main pier cap

3.3 溫度場計算結(jié)果

仿真計算結(jié)果表明:混凝土在澆筑5d后,內(nèi)部混凝土溫度達到最高,約為46℃。此時承臺表、里溫度分布如圖4(a)、(b)所示。

(a)表層溫度等值線(a)Surface temperature contour

由圖4可見,承臺澆筑過程中約在第5d達到溫度峰值,約為46℃,內(nèi)外溫差最大值約為24.8℃。承臺混凝土內(nèi)部溫度高,外周溫度低;靠近冷水管的位置溫度低,遠離冷水管位置溫度升高,冷水管的布設(shè)對于降溫具有顯著作用;靠近外周邊緣部分混凝土溫度梯度最大。

3.4 應(yīng)力場主要特征

承臺混凝土抗拉強度隨時間發(fā)展規(guī)律與所定義的材料強度發(fā)展函數(shù)有關(guān)。MIDAS在材料強度發(fā)展函數(shù)中定義的強度為抗壓強度,而承臺混凝土硬化過程中也會出現(xiàn)拉應(yīng)力的區(qū)域,且在混凝土硬化過程中,承臺內(nèi)部的拉應(yīng)力都在隨時變化。為了判斷承臺混凝土能否開裂,有限元軟件通過計算拉應(yīng)力比來衡量,拉應(yīng)力參數(shù)定義為:

拉應(yīng)力比=容許抗拉強度/拉應(yīng)力

MIDAS有限元軟件軟件通過定義的混凝土彈性模量的變化曲線,并根據(jù)ACI的標(biāo)準(zhǔn)將彈性模量反算,推求出混凝土的容許抗拉強度值。

混凝土開裂與否就是通過拉應(yīng)力比進行判斷的,若通過軟件計算出的實際拉應(yīng)力小于容許拉應(yīng)力(即拉應(yīng)力比>1),混凝土不會開裂,否則會開裂。此外,當(dāng)混凝土承受壓應(yīng)力時,混凝土不會開裂,程序中對于受壓區(qū)混凝土拉應(yīng)力比最大值默認(rèn)取值為20。

計算結(jié)果表明:混凝土澆筑5d后,主拉應(yīng)力達到峰值2.3MPa,主要集中在表層邊角處。承臺的最大主拉應(yīng)力和拉應(yīng)力比分布云圖,如圖5(a)、(b)所示。承臺內(nèi)部混凝土的應(yīng)力快速下降,內(nèi)部主拉應(yīng)力剖面圖、拉應(yīng)力比云圖,如圖5(c)、(d)所示。

(a)最大主拉應(yīng)力等值線云圖(a)Nephogram of maximum principal tensile stress

由圖5可知:1)混凝土表層棱角位置存在一定拉應(yīng)力,最大值為2.35MPa,在混凝土內(nèi)部拉應(yīng)力迅速減小。2)主墩承臺在澆筑過程中拉應(yīng)力比始終大于1,根據(jù)(圖5a),施工中最小拉應(yīng)力比為1.0033>1,這表明混凝土澆筑后的拉應(yīng)力始終小于拉應(yīng)力容許值。3)拉應(yīng)力較小值存在表層棱角處個別點位,考慮到實際承臺內(nèi)部鋼筋的約束作用,可以判斷混凝土在澆筑過程中不會開裂。

結(jié)合上述溫度場和應(yīng)力場的計算結(jié)果,主墩承臺雖然不會開裂,但內(nèi)外最大溫差為24.8℃,接近安全限值25℃,最小的拉應(yīng)力比也接近1(最小值為1.0033)。其主要原因是主墩承臺形狀為多邊形,在四個邊的附近水管布設(shè)密度小,存在三角形的無水管區(qū),如圖6示。導(dǎo)致此區(qū)域存在混凝土溫度升溫較高現(xiàn)象,但是溫度計算仍然滿足要求。

圖6 無水管區(qū)示意圖Fig.6 Diagram of the waterless pipe area

4 水化熱監(jiān)測

水化熱的監(jiān)測可以采取測量應(yīng)力、溫度進行控制。參考水化熱的計算結(jié)果,在承臺施工過程中采用了新型的大體積混凝土測溫系統(tǒng)。傳感器的布置應(yīng)遵循以下原則:計算結(jié)果中高溫區(qū)域和低溫區(qū)域埋設(shè)了更多的微型無線溫度傳感器。其他溫度適中區(qū)域適量少布傳感器。溫度傳感器布置主要在混凝土承臺上、下表面、第二、三層冷水管位置和承臺底部位置。

此外,由于采用了無線溫度采集器,可以實現(xiàn)以下功能:1)連續(xù)測溫:按照設(shè)定采樣頻率自動測量并記錄溫度。2)自動報警:可對混凝土內(nèi)部溫度和內(nèi)外溫差設(shè)置閾值,超過閾值自動報警。3)曲線報表:提供單點/多點日溫度測量曲線。4)無線傳輸:支持GPRS/CDMA遠端通訊,可以在任意距離的辦公室內(nèi)查看數(shù)據(jù)。

由于現(xiàn)場布置的測點很多,數(shù)據(jù)量很大,此處只給出了澆筑完成5d(120h)內(nèi),最低溫度測點和最高溫度測點的溫度變化時程曲線,如圖7所示。

圖7 監(jiān)測最高和最低溫度時程曲線Fig.7 Monitor maximum and minimum temperature time history curves

從圖7可以看出,施工中實測的承臺內(nèi)部最高溫度為44.7℃,最低值為21.1℃,最大溫差為23.6℃,與模擬計算的最大溫差24.8℃高度吻合。這表明承臺水化熱的仿真計算時邊界條件、計算參數(shù)的選取合理、計算結(jié)果能夠反應(yīng)水化熱的真實分布規(guī)律,且實測最大差值也小于限值25℃,這表明承臺的大體積混凝土施工過程中不會開裂。此外,測得的溫度梯度變化規(guī)律也與仿真分析結(jié)果一致。

5 結(jié)論

結(jié)合蔡家莊特大橋項目,通過軟件初步計算分析,得到了如下結(jié)論:1)根據(jù)承臺形狀,冷卻水管的布置方案設(shè)計科學(xué)合理。2)綜合考慮了封底混凝土的固結(jié)、混凝土表面對流等邊界條件,并結(jié)合承臺的形狀,水管參數(shù)、水泥和混凝土的材料特性等因素,建立了合理的承臺的水化熱仿真模型。3)有限元仿真分析計算表明:混凝土硬化過程中不會出現(xiàn)拉裂的風(fēng)險,保證了承臺施工過程的安全。4)承臺的淺層混凝土與大氣溫差過大是混凝土表面產(chǎn)生淺層裂縫的重要原因,因此應(yīng)特別重視混凝土的保溫工作。5)基于仿真分析的計算結(jié)果,在承臺內(nèi)科學(xué)設(shè)置了溫度傳感器進行溫度監(jiān)測,且采用了無線自動測溫系統(tǒng),實測的最大溫差與仿真計算結(jié)果高度吻合,且溫度場的分布規(guī)律也與分析結(jié)果吻合,從而驗證了仿真分析的準(zhǔn)確性和可靠性。