橋梁承臺大體積混凝土水化熱分析及溫控措施研究

鄭祥斌

(山東萊克工程設計有限公司，山東 東營 257026)

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橋梁承臺大體積混凝土水化熱分析及溫控措施研究

鄭祥斌

(山東萊克工程設計有限公司，山東 東營 257026)

針對橋梁承臺這一標志性大體積混凝土結構，結合某橋梁工程實際情況，從基本的熱學性能出發(fā)，對承臺混凝土水化熱特性進行分析，明確內部溫度場的分布規(guī)律，并在此基礎上分別從施工、養(yǎng)護與監(jiān)測三方面研討有效的溫度控制措施，旨在為縮小承臺內外部溫差、避免產(chǎn)生溫度裂縫提供參考借鑒。

橋梁承臺；大體積混凝土；水化熱分析；溫控措施

1 橋梁工程概況

某橋梁高塔承臺的高度為6.0 m，平面尺寸規(guī)格25 m×24 m，混凝土面積3 600 m3。在開始施工以前，借助Midas軟件分析結構水化熱，深入了解混凝土結構的水化熱特征，同時根據(jù)所得分析結果采取相應的溫度控制措施，避免大體積混凝土產(chǎn)生質量問題，實現(xiàn)預期控制效果。

2 水化熱分析

2.1 熱學性能

對于大體積混凝土而言，其熱學性能主要包含四方面內容，分別為導溫和導熱系數(shù)、比熱與密度。依據(jù)導溫系數(shù)的基本定義可得

(1)

式(1)中：a表示導溫系數(shù)，m2/h；λ表示導熱系數(shù)，kJ/(m·h·℃)；c表示比熱，kJ/(kg·℃)；ρ表示密度，kg/m3。

熱學性能可以通過相關試驗進行測定，并且在實際情況中僅需測出其中三項，另外一項可直接采用式(1)得出，通過查表可知不同材料的測量數(shù)據(jù)信息，如表1所示。

表1 不同材料的測量數(shù)據(jù)信息

在實際的澆筑施工過程中，通常會使用多種類型的材料，此時對所用材料實施統(tǒng)計，以得出各自的熱特性值。使用式(1)對C30混凝土比熱、導熱系數(shù)進行計算。通過計算，C30混凝土比熱為0.909 kJ/(kg·℃)，導熱系數(shù)為9.229 kJ/(m·h·℃)。

2.2 水泥水化熱

水泥水化熱主要有三種表達形式，即指數(shù)表達式、雙曲線表達式與復合指數(shù)表達式。為便于分析計算，本文主要運用復合指數(shù)表達式：Q(τ)=Q0(1-e-aτb)。

通過查表可知所用水泥的為330 kJ/kg。按照混凝土配比要求，C30混凝土的各項原材料單位體積用量如表2所示。

表2 材料用量

經(jīng)計算，為2 397.1 kg/m3，為0.004 24 m2/h，(絕熱溫度)為47.1 ℃。

2.3 承臺模型與計算分析

仿真分析的目的在于結合結構形態(tài)分析和幾何形態(tài)分析，并通過對形態(tài)數(shù)值的模擬，為確定經(jīng)濟合理、標準規(guī)范的方案提供參考。就目前來看，仿真分析側重處理兩類問題：其一，模擬溫度場的全程分布狀況；其二，模擬溫度應力的實際分布狀況。第一類問題是第二類的重要基礎，通過準確的全程模擬，能深入了解會對溫度應力造成影響的因素，再據(jù)此編制相應的溫度控制方案。

(1)創(chuàng)建結構模型

由于承臺是長方體，其溫度分布圖以軸線成中心對稱，可選取其25%實施分析，構建結構模型，以此減少單元實際數(shù)量，確保計算簡單，方便對結果進行觀察。在結構模型中，需使用實體單元，劃分過程中盡可能保證單元變化均勻性，以免產(chǎn)生突變，從而為溫度變化分析提供方便。

(2)水化熱分析

對于水化熱分析而言，其實際上就是初始溫度及積分系數(shù)的定義。結構模型的迭代次數(shù)不能超過10次，要求收斂誤差保持在0.01以內，初始溫度可確定為混凝土的入模溫度，設計擬定為20 ℃。

(3)計算分析

分別在有溫度控制措施、無溫度控制措施的條件下，分析承臺內部與表面的溫差變化。

在無溫度控制措施的條件下，承臺極限溫度達到70 ℃，溫差最大值為32 ℃。這一結果超出現(xiàn)行施工規(guī)范要求的25 ℃，所以必須對溫差進行有效降低，可采取在混凝土結構中預埋冷卻管的方法。預埋冷卻管以后，根據(jù)各個時刻的結構溫度場分布結果，判斷溫度控制效果。本工程在埋設冷卻管后，承臺內外部溫差降至25 ℃以內，滿足現(xiàn)行施工規(guī)范的要求。

3 溫度控制措施

3.1 施工控制

在現(xiàn)場施工中，使用布置遮陽棚、冷水循環(huán)沖洗石料等措施，降低混凝土澆筑的入模溫度。根據(jù)設計圖紙的指示與要求預埋冷卻管，同時采取循環(huán)水降溫策略，也就是在結構中埋設冷卻管，通過冷水的循環(huán)起到降溫作用。依據(jù)建模計算分析得出的溫度分布情況，在豎向的厚度方向上，需埋設5層冷卻管，冷卻管使用鋼管，按照由下至上的順序依次埋設。冷卻水可直接使用河水，在澆筑施工以前需要實施壓水檢查。冷卻管的折彎位置端頭需切割成45°角，通過對焊形成整體，確保焊接密實，冷卻管的進口和出口需要伸出整體不少于80 cm。所有冷卻管在完成澆筑施工后即可開始通水循環(huán)。

3.2 養(yǎng)護措施

(1)混凝土完成澆筑初凝以前，可使用噴霧器均勻噴撒水霧，以保證結構表面濕潤；

(2)混凝土完成澆筑初凝以后，可在吊箱中存高度為15 cm左右的淡水實施養(yǎng)護，以此延緩結構表面水分蒸發(fā)，有效控制溫差，避免開裂等問題的發(fā)生。

在水化熱峰值產(chǎn)生之前，使用吊箱進行存水，以此對承臺的內外部溫差進行有效控制，為避免浪費，吊箱中的存水可以用于施工控制環(huán)節(jié)的冷卻循環(huán)；靠近峰值時，為保證冷卻效果，可將冷卻水替換為江水，江水的溫度相比較低，降低吊箱內的水面高度，以保證表面完全濕潤為基準，從而促進承臺整體散熱。養(yǎng)護施工用水溫度和承臺表面溫度之間的溫差不能超過10 ℃，并根據(jù)實際溫度控制要求，對存水進行替換。

3.3 理論和實測結果對比

根據(jù)現(xiàn)場情況在承臺控溫斷面設置傳感器，借助傳感器在不同時期之內的電位差值，通過換算形成相應的溫度，進而實時了解各個部位的溫度狀況，為養(yǎng)護施工提供可靠的現(xiàn)場指導。施工現(xiàn)場對比了傳感器讀數(shù)和計算結果，如表3所示。

表3 理論和實測結果的對比

4 結束語

通過以上分析可知，承臺作為大體積混凝土結構會因為水泥的水化熱作用而產(chǎn)生較大的內外部溫差，如果在施工中未能進行有效控制，將極易造成結構表面裂縫，嚴重影響承臺施工質量和安全。為防止此類問題的產(chǎn)生，在施工中首先要通過水化熱分析明確承臺內部溫度變化規(guī)律，預測其對承臺結構造成的影響；然后根據(jù)現(xiàn)行施工規(guī)范，可在施工中采取預埋冷卻管，加強養(yǎng)護降溫與溫差實時監(jiān)測等方法有效控制溫度，以將承臺的內外部溫差控制在理想的限度之內，從根本上避免承臺表面溫度裂縫的產(chǎn)生，保證承臺施工質量。

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2016-12-28

鄭祥斌(1989-)，男，山東鄆城人，助理工程師，研究方向：道路與橋梁工程設計。

U442

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1008-3383(2017)05-0096-02