某斜拉橋承臺大體積混凝土水化熱分析

梁慧棟

（海東城市建設(shè)開發(fā)投資有限公司，青海海東 810600）

0　引言

隨著橋梁跨度的不斷增大，大體積混凝土結(jié)構(gòu)在橋梁工程中的應(yīng)用也越來越普遍。水泥發(fā)生水化反應(yīng)時釋放大量熱量，由于承臺結(jié)構(gòu)混凝土體表比一般很小，且混凝土導(dǎo)熱性能很差，使得承臺內(nèi)部混凝土熱量不易釋放[1]。熱量在承臺內(nèi)部聚集使得混凝土內(nèi)部溫度急劇升高，在承臺的內(nèi)外部形成很大的溫差，當(dāng)溫差產(chǎn)生的溫度應(yīng)力超過混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時，將導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生溫度裂縫。裂縫的出現(xiàn)不僅會影響結(jié)構(gòu)的外觀質(zhì)量，由于裂縫使得結(jié)構(gòu)內(nèi)部暴露在空氣中，也會影響結(jié)構(gòu)的抗腐蝕能力和耐久性能；更嚴(yán)重的情況是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載能力減低，影響到結(jié)構(gòu)安全性能[2]。許多大體積混凝土結(jié)構(gòu)尺寸很大，考慮施工便利性和經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)避免設(shè)置過多進(jìn)出水口。此時，單層冷卻水管長度往往很長，為了保證冷卻管的降溫效果，一般采用較低的冷卻水溫度和相鄰冷卻水管的進(jìn)出水口位置和方向交替布置。施工承臺結(jié)構(gòu)時，一般選用附近河水作為冷卻水源，而在寒冷季節(jié)河水溫度往往很低。因此，研究低溫冷卻水對控制冷卻管過長時降溫效果不明顯的方法和措施是非常有必要的。

1　工程概況

某市政橋梁主橋為獨塔雙索面組合梁斜拉橋，跨徑布置為158 m+45 m+40 m，橋面寬44 m。其中輔跨45 m+40 m，為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，主跨長158 m，為鋼箱梁，梁高均為3 m。

索塔主墩為群樁承臺基礎(chǔ)，下塔柱為鋼筋混凝土，上塔柱下部為鋼筋混凝土，上部為鋼制塔柱。樁基Φ150 cm，樁長L為50 m，呈7排7列布置共49根。承臺高5m，平面尺寸為27 m×27 m，混凝土采用C40抗硫防腐混凝土，共3 645 m3，屬于大體積混凝土[3]。

2　有限元分析

2.1　有限元模型

按照實際冷卻水管的布置、管徑、水流大小、承臺施工和養(yǎng)護(hù)情況等因素，運(yùn)用三維有限元軟件MIDAS/Civil建立主塔樁基承臺有限元分析模型。模型共計節(jié)點64 050個，實體單元57 832個，有限元模型見圖1。若將地基的支承條件使用彈簧模擬，則無法描述混凝土的熱量傳遞給地基的情況。因而將地基模擬為具有一定比熱和熱傳導(dǎo)率的結(jié)構(gòu)[4]。地基尺寸取為36 m×36 m×7 m，距承臺底1 m處開始每隔1 m布置一層冷卻管，共4層，相鄰層間呈十字交錯布置，每層冷卻管橫向間距1 m，單層管長688 m，每層冷卻管的進(jìn)水口分別位于承臺4個角點處。冷卻管布置見圖2。

2.2　計算參數(shù)

工程實際的承臺混凝土配合比見表1。根據(jù)有關(guān)資料[5]，在沒有進(jìn)行熱性能試驗時，根據(jù)混凝土各組成成分的重量百分比估算混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)λ=8.761 627 3 KJ/（m.h·℃）、比熱c=0.917 883 6 KJ/（kg·℃)和導(dǎo)溫系數(shù)a=3.742×10-3m2·h。水化熱計算采用復(fù)合指數(shù)式的方法，估算混凝土最大絕熱溫升為59.32℃。根據(jù)施工方案，承臺混凝土側(cè)面采用6 mm鋼模板，頂面混凝土保溫材料為30 mm厚棉布和兩層0.2 mm厚塑料。保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)見表2。模型環(huán)境溫度取為固定值8℃，地基邊界為固定溫度條件，溫度值取15℃。冷卻水管為Φ57×3 mm鋼管，內(nèi)徑51 mm，水流速度為0.4 m/s，流入溫度7℃，冷卻水管通水時間250 h。

圖1　承臺有限元模型

圖2　承臺冷卻管布置示意圖(單位：m)

表1　承臺混凝土實際材料用量及理論配合比　kg/m3

表2　保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)

2.3　理論計算結(jié)果

通過有限元分析，承臺在開始澆注70 h后B-2測點溫度達(dá)到最高，為53.6℃，該測點位于承臺1/4結(jié)構(gòu)的中心位置。計算得出的承臺各特征點溫度時程見圖3，各特征點的位置與現(xiàn)場溫度傳感器的布置位置一致。第一層在距承臺底高0.5 m，位置為承臺中心點（C-3）、對角線距外角點位置1.0 m（A-3）和承臺中心點和該角連線1/2位置（B-3）各安裝1個測溫元件；第二層在距承臺底2.5 m，第三層在距承臺底4.5 m位置處，其平面位置與第一層相同。

圖3　承臺測點理論溫度時程圖（單位：℃）

由計算結(jié)果可得，承臺各特征點水化熱溫度變化趨勢一致，且水化熱初期溫度上升速率較大，在70 h左右溫度達(dá)到峰值，隨后溫度開始下降。從圖3可以看出，在冷卻水管停止通水后，溫度下降開始變緩，其中B-2和C-2測點出溫度出現(xiàn)輕微回升。

在結(jié)構(gòu)模型中以承臺中心為原點，截取距承臺底端1.5～2.5 m之間8 m×8 m的結(jié)構(gòu)，其溫度分布云圖見圖4。

圖4　承臺中心部位溫度分布云圖

從圖3和圖4可以看出，該承臺的最高溫度并沒有出現(xiàn)在承臺中心，而是位于1/4結(jié)構(gòu)中心位置附近。由于冷卻管中進(jìn)水溫度較低，通過承臺中心時與混凝土之間溫差很大，二者之間熱量交換較多，對承臺中心部位降溫效果明顯。由于冷卻管較長，經(jīng)過較長路徑的熱循環(huán)后水溫逐漸上升，對冷卻管出水部位附近的混凝土降溫效果不明顯，導(dǎo)致溫度較高部位偏離承臺中心。

3　現(xiàn)場實測

3.1　溫度傳感器布置

考慮結(jié)構(gòu)的對稱性，只在1/4結(jié)構(gòu)上布置傳感器。承臺內(nèi)共安裝3層9個測溫元件。進(jìn)出水溫度用測溫計直接放入水中進(jìn)行測量，將測溫計放入混凝土表面和覆蓋層之間測量混凝土表面溫度，測量大氣溫度時將溫度計放入承臺附近位置，要避免其受承臺混凝土溫度影響。在安裝測溫感應(yīng)片時注意避讓冷卻管，安裝在兩個冷卻管中間位置。溫度傳感器布置示意見圖5。

3.2　溫度監(jiān)測結(jié)果分析

承臺混凝土從早晨八點開始，到第二天下午五點結(jié)束，歷時41 h，混凝土澆筑時每覆蓋一層冷卻管，該層冷卻管即開始通水降溫。由于初期混凝土水化熱溫度變化劇烈，測試時間間隔為2 h，后期水化熱溫度變化緩慢，測試時間調(diào)整為4 h。將各測點的溫度數(shù)據(jù)繪制成時程曲線，見圖6。從圖6中可以看出，混凝土澆筑階段和養(yǎng)護(hù)初期，溫度上升很快，在混凝土開始澆筑后74 h B-2測點溫度達(dá)到峰值，為58.2℃。該測點位于承臺1/4結(jié)構(gòu)中心處，與理論計算結(jié)果一致。實測混凝土內(nèi)外溫差均小于20℃，避免了溫度裂縫的出現(xiàn)。

圖5　溫度傳感器布置示意圖（單位：m）

圖6　承臺測點實際溫度時程圖（單位：℃）

4　結(jié)論

針對寒冷氣溫條件下施工的大體積承臺混凝土，考慮到施工便利性和經(jīng)濟(jì)性，以附近河道內(nèi)溫度較低的河水作為冷卻水源；為避免增加過多的冷卻管進(jìn)出水口，采用了較長的冷卻管管長，通過理論分析和現(xiàn)場實測，可以得到以下結(jié)論：

（1）對大體積承臺混凝土采用較長的冷卻水管管長時，宜采用較低的冷卻水溫，并對相鄰的冷卻管層之間對調(diào)進(jìn)出水口位置和方向，冷卻水管豎向間距不超過1 m時，可以有效降低混凝土水化熱溫度。

（2）混凝土水化熱溫度在澆筑初期溫度上升較快，在混凝土開始澆筑74 h左右溫度達(dá)到峰值，最高溫度為58.3℃。

（3）使用較低的冷卻水溫和較長冷卻管管長方案對承臺混凝土降溫時，最高溫度并不在承臺結(jié)構(gòu)中心處，而是偏向于1/4結(jié)構(gòu)中心處。