大體積承臺(tái)混凝土水化熱仿真模擬計(jì)算及溫控方案優(yōu)化

呂世鯤

摘要： 以大跨度連續(xù)梁主墩大體積承臺(tái)基礎(chǔ)為研究對象，通過有限元分析軟件midas civil模擬溫度場分布，用來設(shè)計(jì)和優(yōu)化施工中的保溫降熱措施，減小混凝土內(nèi)外溫差，有效避免了裂縫的產(chǎn)生，本工程的經(jīng)驗(yàn)，對類似施工中的優(yōu)化溫控和防裂措施，有一定的借鑒作用。

Abstract： The large-scale continuous-girder pier main bulk foundation platform was used as the research object. The finite element analysis software midas civil was used to simulate the temperature field distribution. It was used to design and optimize the heat-preservation and heat-reduction measures during construction， and reduce the temperature difference between the inside and outside of the concrete， thus avoiding the occurrence of cracks. The experience of this project can be used as a reference for optimization of temperature control and crack prevention measures in similar constructions.

關(guān)鍵詞： 大體積混凝土；溫度控制；冷卻管；有限元

Key words： mass concrete；temperature control；cooling pipe；finite element

中圖分類號(hào)：U443.25 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）14-0184-05

0 引言

大體積混凝土施工時(shí)，由于膠凝材料水化過程產(chǎn)生了大量的水化熱，熱量在結(jié)構(gòu)體中產(chǎn)生梯度溫度效應(yīng)，當(dāng)梯度溫差過大時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生裂縫，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)貫通裂縫，對結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生嚴(yán)重的影響[1]。本文基于大跨度連續(xù)梁主墩承臺(tái)基礎(chǔ)施工，利用有限元軟件Midas civil對施工的溫度場分布進(jìn)行了全真模擬和分析，優(yōu)化了冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的布設(shè)和保溫隔熱措施，澆筑之后對結(jié)構(gòu)內(nèi)外不同部位的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測控進(jìn)行比對驗(yàn)證，以此來確保大體積混凝土的施工質(zhì)量。

1 工程概況

連鎮(zhèn)鐵路跨鹽邵河連續(xù)梁橋跨布置為（75+128+75）m，719#主墩基礎(chǔ)一階承臺(tái)幾何尺寸為13.6m×18.8m，厚度為4.0m。承臺(tái)基坑四周采用拉森鋼板樁圍堰，基坑封底采用1.0m厚C20混凝土，一階承臺(tái)采用C30混凝土。一階承臺(tái)一次性連續(xù)澆筑成型，澆筑方量1022.7m3，施工工期在8月底，天氣溫度高，澆筑溫度控制難度大。

根據(jù)夏季施工方案和熱工計(jì)算的結(jié)果，通過抽取深井水作為拌和水，骨料在棚內(nèi)利用空調(diào)降溫以及水中加入冰塊的方法，降低混凝土溫度；還根據(jù)天氣預(yù)報(bào)情況，選取氣溫較低的夜間時(shí)段進(jìn)行施工；還在承臺(tái)中提前預(yù)埋冷卻水管，澆筑后即通過冷卻循環(huán)水降低混凝土內(nèi)部溫度。通過Midas civil軟件的仿真分析計(jì)算，采取了一系列的溫控措施，最終達(dá)到了夏季大體積混凝土施工的溫控目的。

2 分析模型的施工階段模擬

為了更準(zhǔn)確地利用Midas civil軟件對模型進(jìn)行水化熱分析，結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際施工情況，將模型的施工分為兩個(gè)階段：

第一階段：施工封底墊層混凝土，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度C20，尺寸20.8m×15.6m，厚1.0m，施工結(jié)束20天（約500小時(shí)）后，再施工第二階段。

第二階段：一階承臺(tái)混凝土在拌和站集中拌和，混凝土罐車?yán)\(yùn)至現(xiàn)場后，用混凝土泵車泵送入模，從單端斜向分層連續(xù)澆筑。承臺(tái)四周模板采用組合鋼模厚10mm，模板與基坑鋼板樁圍堰空間1.0m。施工環(huán)境溫度25℃，混凝土入模溫度20℃；混凝土澆筑結(jié)束后，表面采用4cm厚草袋進(jìn)行覆蓋灑水保濕養(yǎng)護(hù)。

3 相關(guān)分析數(shù)據(jù)的取值與計(jì)算

3.1 混凝土配合比

承臺(tái)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級C30，水泥采用普通硅酸鹽水泥，粉煤灰摻量按膠凝材料總量的30%摻入，水膠比0.4，配合比如表1。

3.2 材料特性以及環(huán)境熱量交換參數(shù)

根據(jù)相關(guān)資料，取midas civil中計(jì)算的相關(guān)參數(shù)，如表2。[2]

3.3 混凝土絕熱溫升

混凝土內(nèi)部的最高溫度，實(shí)際上是由澆筑溫度、水泥水化熱引起的絕對溫升和混凝土澆筑后的散熱溫度三部分組成。根據(jù)公式[3]計(jì)算得出承臺(tái)混凝土的絕熱溫升：

利用midas civil模擬C30混凝土的放熱函數(shù)如圖1。

3.4 澆筑體的熱對流系數(shù)

承臺(tái)混凝土澆筑后，表面及四周覆蓋4cm厚的草袋進(jìn)行保溫保濕養(yǎng)護(hù)，則承臺(tái)與空氣的熱對流系數(shù)根據(jù)公式[5]計(jì)算為：

4 有限元模型建立

由于承臺(tái)模型具有對稱型，為了便于查看混凝土內(nèi)部溫度分布情況，將承臺(tái)從縱橫向1/2處切開，選取1/4承臺(tái)做為模型。承臺(tái)下方樁基礎(chǔ)采用等效墊層處理，為了更精確地反應(yīng)熱量在地基中的傳遞，在1.0m的墊層下方選取3.0m厚地基土作為模型進(jìn)行分析。有限元單元取實(shí)體單元，將承臺(tái)切分為單個(gè)單元大小0.8m×0.8m×0.5m，進(jìn)行溫度場的仿真分析。模型如圖2。

5 不同邊界條件下的溫度場仿真模擬及方案比選

將以下3種冷卻管布設(shè)措施分別進(jìn)行模擬計(jì)算，進(jìn)行方案比選。

分析情況如下：

5.1 無冷卻管時(shí)的承臺(tái)溫度場仿真計(jì)算

將混凝土入模溫度控制在20℃，施工氣溫按平均25℃模擬，混凝土一次性連續(xù)澆筑結(jié)束，則7d溫度場的計(jì)算結(jié)果如圖3，溫度時(shí)間關(guān)系如圖4。

由上述分析結(jié)果得知，前3d水化熱量放熱速率最高，第8d時(shí)混凝土的芯部溫度達(dá)到峰值70.6℃，此時(shí)表面溫度為34.0℃，內(nèi)外溫差達(dá)到36.6℃，遠(yuǎn)大于規(guī)范允許溫差值25℃。

當(dāng)混凝土內(nèi)外截面溫差較大時(shí)，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生了較大的溫度應(yīng)力。在水化熱反應(yīng)初期，由于內(nèi)部的體積膨脹大于外表面的體積膨脹，導(dǎo)致外表面承受拉應(yīng)力內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力；水化熱達(dá)到峰值后會(huì)逐漸降溫，在降溫過程中，與水化反應(yīng)初期相比，內(nèi)部的體積收縮大于內(nèi)部的體積收縮，導(dǎo)致外表面承臺(tái)壓應(yīng)力內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力。由溫差產(chǎn)生的溫度拉應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土就會(huì)產(chǎn)生裂縫。因此需采取必要措施控制混凝土內(nèi)部溫度上升。因此，不設(shè)冷卻管的一方案不可行。

5.2 三層冷卻管時(shí)的承臺(tái)溫度場仿真計(jì)算

其它外部條件不變，冷卻管水平間距1.5m布置，如圖5；豎向間距按1.0m布置，如圖6。

冷卻管采用內(nèi)徑Φ46mm，壁厚2mm鋼管，水的流入溫度20℃，流速按1.2m3/h控制，冷卻水作用于混凝土澆筑結(jié)束后前100h，通過軟件仿真分析，7d溫度場的計(jì)算結(jié)果如圖7，芯部和表面溫度時(shí)間關(guān)系如圖8。

由上述分析結(jié)果得知，加設(shè)冷卻管之后，混凝土內(nèi)部水化產(chǎn)生的熱量伴隨著冷卻水的循環(huán)被對流排出，冷卻管周圍溫度有顯著的降低，有效避免了熱量在混凝土內(nèi)部的大量集聚。在第5d時(shí)芯部溫度達(dá)到峰值56.8℃，此時(shí)表面溫度為33.3℃，內(nèi)外溫差23.5℃，小于規(guī)范允許內(nèi)外溫差值25℃。另外，100h后未再通入冷卻水，混凝土整體降溫速率較緩，芯部平均溫降為0.6℃/d，小于規(guī)范允許溫降2.0℃/d，可根據(jù)實(shí)際溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測情況，在不超規(guī)范允許的情況下，適當(dāng)再通入冷卻循環(huán)水。

5.3 兩層冷卻管時(shí)的承臺(tái)溫度場仿真計(jì)算

冷卻管水平間距同上，豎向間距按1.4m、1.2m、1.4m布置，如圖9。

冷卻管材質(zhì)、水溫、流速、冷卻水作用時(shí)間等同上，通過軟件仿真分析，7d溫度場的計(jì)算結(jié)果如圖10，芯部和表面溫度時(shí)間關(guān)系如圖11。

由上述分析結(jié)果可知，在第5d時(shí)芯部溫度達(dá)到峰值60.7℃，在第7d時(shí)內(nèi)外部溫差最大，芯部溫度59.2℃，表面溫度35.1℃，內(nèi)外最大溫差為24.1℃，小于規(guī)范允許內(nèi)外溫差值25℃；芯部平均溫降為0.8℃/d，小于規(guī)范允許溫降2.0℃/d。此分析結(jié)果表明，采用兩層冷卻管時(shí)，也可滿足溫控的要求。由于兩層冷卻管與三層冷卻管相比較更加經(jīng)濟(jì)，所以施工選用優(yōu)化后的方案三。

6 混凝土溫度監(jiān)控

6.1 測溫元件的埋設(shè)

為了準(zhǔn)確測量、監(jiān)控混凝土的內(nèi)部溫度，指導(dǎo)混凝土的通水養(yǎng)護(hù)，需在承臺(tái)混凝土內(nèi)合理的布設(shè)測溫元件進(jìn)行測溫。監(jiān)測點(diǎn)的布置以承臺(tái)平面圖對稱軸線的半條軸線為測試區(qū)，每條軸線上不少于4處，分層布置。具體布置如圖12、圖13。

6.2 混凝土溫度監(jiān)控

測溫頻次為第1～5d時(shí)2h測一次，6～7d時(shí)4h測一次，同時(shí)測定大氣溫度。實(shí)際測溫?cái)?shù)據(jù)與模擬計(jì)算基本相近，而且內(nèi)外溫差小于25℃規(guī)范要求。根據(jù)實(shí)際測量溫升和溫降數(shù)據(jù)，調(diào)整冷卻水管的進(jìn)水水壓，并適當(dāng)階段性的進(jìn)行通水，在整個(gè)養(yǎng)護(hù)過程中，始終保持內(nèi)外溫差不大于25℃，溫降速率不大于2.0℃/d，且芯部最高溫度不高于65℃。養(yǎng)護(hù)期結(jié)束后，未發(fā)現(xiàn)任何裂縫。

7 相關(guān)建議及結(jié)論

大體積混凝土溫控貫穿了整個(gè)施工過程，從原材料選擇、配合比設(shè)計(jì)、混凝土的攪拌、運(yùn)輸、澆筑以及養(yǎng)護(hù)、通水降溫、包裹保溫等全過程，是一個(gè)系統(tǒng)的工程。尤其是夏季炎熱天氣施工時(shí)，更應(yīng)確保各種溫控措施的應(yīng)用到位。具體措施如下：

①條件允許的情況下，選取中、低熱硅酸鹽水泥或低熱礦渣硅酸鹽水泥做為原材料[6]，控制水化熱總量；摻入適量的粉煤灰、礦粉等摻合料，也能對降低水化熱起到一定的效果，但摻入粉煤灰較多時(shí)，也會(huì)影響混凝土的抗拉強(qiáng)度；摻入緩凝型高效減水劑，使混凝土凝結(jié)時(shí)間變長，緩解前期水化熱的急劇增加。

②降低混凝土的入模澆筑溫度。通過計(jì)算，入模溫度25℃和20℃時(shí)比較，產(chǎn)生的水化熱要大得多。因此，夏季施工時(shí)，必須測定水泥、粉煤灰、骨料和水的溫度，通過熱工計(jì)算得出各種材料可行的拌和溫度。另外，要盡量縮短混凝土出機(jī)至澆筑入模的時(shí)間，減少混凝土的溫升。

③大體積混凝土應(yīng)按照“內(nèi)降外?！钡脑瓌t，對混凝土內(nèi)部采取設(shè)置冷卻水管通入冷卻循環(huán)水冷卻，對外部采取覆蓋蓄熱或蓄水保溫等措施。內(nèi)部通水降溫時(shí)，進(jìn)出水口的溫差宜小于10℃，降溫速率宜小于2℃/d。冷卻水管宜按1.5m的間距進(jìn)行布設(shè)，管徑、壁厚、材質(zhì)、通水流量等需經(jīng)過計(jì)算或試驗(yàn)確定。

8 結(jié)束語

跨寧啟鐵路特大橋719#大跨度連續(xù)梁主墩承臺(tái)的施工，通過有線元軟件Midas civil的應(yīng)用分析，模擬出混凝土采取不同溫降措施下內(nèi)部溫度場分布，計(jì)算精度相對較高，結(jié)果顯示詳細(xì)直觀，為指導(dǎo)現(xiàn)場溫控施工提供了有力的依據(jù)。通過水化熱的減緩，確保了混凝土的抗裂性能，有效地完成了大體積混凝土的溫控任務(wù)；同時(shí)保障了工程的施工質(zhì)量，控制了承臺(tái)的裂縫產(chǎn)生，帶來了一定的經(jīng)濟(jì)效益，為類似工程施工提供了借鑒和參考。

參考文獻(xiàn)：

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