特大橋承臺(tái)混凝土施工溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力場(chǎng)仿真分析

肖 飛 倪 寅,2 龍海永 王 斌

1. 中建港務(wù)建設(shè)有限公司 上海 200433；2. 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院 上海 200092

1 工程概況

健跳港位于臺(tái)州市三門縣城東25 km處，橋位處水面寬約550 m，水深大于5 m，深槽的跨度為330 m，局部最深9 m，航道條件優(yōu)越。

本文基于臺(tái)州灣特大橋項(xiàng)目，對(duì)橋墩承臺(tái)大體積混凝土水化熱進(jìn)行分析研究。

該項(xiàng)目主橋墩承臺(tái)尺度為37.4 m×13.6 m×4.5 m，采用C35海工混凝土設(shè)計(jì)，水平分3層澆筑，每層時(shí)間間隔為7～12 d，并要求下層混凝土強(qiáng)度達(dá)到80%強(qiáng)度才能澆筑上層混凝土。

由于套箱設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算封底混凝土的錨固厚度不足，調(diào)整第1層承臺(tái)混凝土厚度為1 m，第2層承臺(tái)混凝土厚度為2 m，第3層承臺(tái)混凝土厚度為1.5 m。

2 承臺(tái)溫控方案

2.1 澆筑溫度控制方法

主橋墩承臺(tái)按照大體積混凝土施工布置冷卻水管，冷卻水管布置于每層混凝土的中間位置。大體積混凝土溫度控制關(guān)鍵是控制水化熱，避免其過(guò)高或因外部溫度突降而導(dǎo)致承臺(tái)混凝土內(nèi)外溫差過(guò)大，從而產(chǎn)生溫度裂縫。

第1層承臺(tái)混凝土由于厚度較薄，計(jì)劃不安裝冷卻水管，第2層承臺(tái)布設(shè)2層冷卻水管，第1層冷卻水管距承臺(tái)底1.50 m，第2層冷卻水管距承臺(tái)底2.50 m，第3層冷卻水管距承臺(tái)底3.25 m，冷卻水管距承臺(tái)側(cè)邊最小間距為0.80 m，第1、2層管間水平距離為1.00 m，第3層為1.20 m。冷卻水管的外徑為42.25 mm，壁厚為3.25 mm。

承臺(tái)施工過(guò)程中的大體積混凝土溫控措施除采用分層澆筑外，還有以下幾方面的措施[1-4]：

1）在不降低混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)的前提下，選用低中熱水泥品種，優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)，減少單位體積內(nèi)水泥用量，并摻入粉煤灰、減水劑，以降低大體積混凝土的水化熱。

2）為減少大體積混凝土水化熱，應(yīng)注意對(duì)混凝土原材料的預(yù)冷，以降低入倉(cāng)溫度，同時(shí)避免在高溫時(shí)澆筑承臺(tái)混凝土。

3）利用循環(huán)冷卻水對(duì)承臺(tái)大體積混凝土進(jìn)行溫控，即采用內(nèi)部降溫法進(jìn)行溫度控制。

2.2 混凝土配合比設(shè)計(jì)

為降低混凝土內(nèi)部水化熱溫度，先要選擇合理的混凝土原材料，即選擇級(jí)配優(yōu)良的砂、石料，選擇適用的混凝土外加劑，控制水灰比，控制粉煤灰與礦粉的使用，并減少水泥用量等。因此要對(duì)混凝土配合比進(jìn)行優(yōu)化。

應(yīng)根據(jù)上述原材料的品質(zhì)、設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)、耐久性要求及施工工藝要求來(lái)確定混凝土的配合比，并通過(guò)計(jì)算、試配與調(diào)整等相關(guān)步驟加以選定。配制的拌和物性能應(yīng)滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度、耐久性等要求。

本工程澆筑的特大橋橋墩承臺(tái)屬于大體積混凝土，按海工大體積混凝土的相關(guān)要求進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)際施工中使用的砂、石、水泥、粉煤灰及外加劑的性能進(jìn)行交叉配合比試驗(yàn)，確定最佳配合比，并遵循以下總的原則：大體積混凝土應(yīng)采用低中熱水泥，并采用“雙摻技術(shù)”（即摻加粉煤灰及外加劑），降低混凝土的入倉(cāng)溫度等措施，以改善混凝土的性能，減小混凝土的水化熱。混凝土的性能要求為：初凝時(shí)間不小于12 h；坍落度16～20 cm；具有良好的流動(dòng)性、和易性及可泵性。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，C35海工混凝土配合比見(jiàn)表1，混凝土強(qiáng)度滿足要求。

表1 海工混凝土配合比

2.3 冷卻水管布置與安裝

根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度分布特征，冷卻水管采用φ42.25 mm、管壁厚3.25 mm的鋼管光-32-YB234-63黑鐵管。冷卻水管共3層，按蛇形布置，水平間距1.2 m，豎向?qū)娱g間距1.5 m，冷卻管距混凝土邊緣約為0.8 m，兩相鄰平行冷卻水管拐角處以R＝0.6 m圓弧過(guò)渡，承臺(tái)冷卻水道長(zhǎng)度都在400 m內(nèi)。安裝冷卻管時(shí)應(yīng)注意水管的質(zhì)量，且固定接頭時(shí)應(yīng)確認(rèn)牢固，安裝完畢后應(yīng)進(jìn)行通水檢查。

冷卻管綁扎在相鄰的鋼筋上，每層的高度和平面位置可根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整，冷卻管在埋設(shè)和澆筑混凝土過(guò)程中應(yīng)防止堵塞、漏水和振壞。冷卻管的進(jìn)水口用膠管與水泵連接，冷卻管出水口用膠管引出延伸至蓄水源。承臺(tái)內(nèi)部冷卻循環(huán)水管接頭采用外套塑料膠管綁扎連接。

為驗(yàn)證冷卻管是否漏水，避免通水時(shí)漏水影響混凝土質(zhì)量或堵管影響通水效果，故需在承臺(tái)混凝土澆筑前做試通水檢查，并準(zhǔn)備適量的止水膠帶和塑料膠布，對(duì)于漏水的地方進(jìn)行處理。在混凝土澆筑過(guò)程中避免振動(dòng)棒振擊冷卻管，以免導(dǎo)致冷卻管漏水，若出現(xiàn)冷卻管受損應(yīng)及時(shí)采取有效措施處理，未處理完畢不可繼續(xù)進(jìn)行混凝土的澆筑。

2.4 冷卻水管工作方式

將循環(huán)冷卻水管埋設(shè)于承臺(tái)大體積混凝土中，通入冷卻水后，通過(guò)循環(huán)流動(dòng)帶走混凝土內(nèi)部的部分熱量，從而實(shí)現(xiàn)降低溫度的目的。自澆筑混凝土?xí)r，即通入冷水，且連續(xù)通水15 d，出水口流量10～20 L/min，進(jìn)水水溫與混凝土內(nèi)部溫度差≤20 K，冷卻管內(nèi)進(jìn)出口水溫差≤10 K；通水冷卻過(guò)程中應(yīng)注意對(duì)混凝土外表面進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)工作。冷卻管停水后仍應(yīng)每隔12 h監(jiān)測(cè)混凝土內(nèi)溫度一次，努力做到大體積混凝土內(nèi)溫度場(chǎng)均布，減少溫度梯度，澆筑上層混凝土?xí)r應(yīng)將下層混凝土測(cè)溫孔內(nèi)用小石子混凝土填實(shí)。冷卻管使用完畢后對(duì)其進(jìn)行灌漿封孔處理，并將伸出承臺(tái)頂面部分截除。

3 溫度仿真預(yù)測(cè)

大體積混凝土的水化熱導(dǎo)致溫度應(yīng)力變化，而溫度應(yīng)力差所產(chǎn)生的裂縫較寬，且易上下貫通，故對(duì)結(jié)構(gòu)承載力、結(jié)構(gòu)防水、結(jié)構(gòu)耐久性都有較大影響。產(chǎn)生溫度應(yīng)力的主要原因是大體積混凝土在澆筑后由于水化熱導(dǎo)致體積膨脹或收縮，同時(shí)受到內(nèi)部或外部約束力的影響。本次仿真計(jì)算通過(guò)模擬混凝土內(nèi)部與外部約束力的產(chǎn)生，從而計(jì)算施工狀態(tài)下混凝土中的溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力場(chǎng)。

3.1 計(jì)算條件

3.1.1 建立模型

由于本承臺(tái)采用水中有底鋼套箱施工，所以MIDAS模型中無(wú)地基，僅有承臺(tái)混凝土和封底混凝土，將承臺(tái)混凝土和封底混凝土模擬成具有一定比熱和熱傳導(dǎo)率的結(jié)構(gòu)（圖1）。

由于模型具有對(duì)稱性，所以這里只取1/4模型進(jìn)行建模和分析。這樣不僅可以提高建模速度、縮短分析時(shí)間，而且也便于查看內(nèi)部溫度分布以及應(yīng)力發(fā)生狀況（圖2）。

圖1 承臺(tái)及封底混凝土整體模型

圖2 承臺(tái)1/4模型

3.1.2 施工階段及步驟

本方案分3層澆筑承臺(tái)，第1層承臺(tái)施工為第1階段，第2層承臺(tái)施工為第2階段，第3層承臺(tái)施工為第3階段。

1）第1階段分為13個(gè)步驟，步驟時(shí)間為2、4、8、12、18、24、36、48、72、96、120、144、168 h。

2）第2階段分為13個(gè)步驟，步驟時(shí)間同第1階段。

3）第3階段分為14個(gè)步驟，步驟時(shí)間為2、4、8、12、18、24、36、48、72、96、120、144、168、216 h。3.1.3 材料和熱特性數(shù)據(jù)材料和熱特性數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 材料和熱特性數(shù)據(jù)

冷卻管采用鑄鐵管，對(duì)流系數(shù)取372 W/（m2·K），管外徑為42.25 mm，壁厚3.25 mm，流量為1.20 m3/h，進(jìn)水溫度為15 ℃。第1、2層管冷卻時(shí)間從第2階段混凝土澆筑結(jié)束至第3階段第96小時(shí)，第3層管冷卻時(shí)間從第3階段混凝土澆筑結(jié)束至第168小時(shí)。

3.2 溫度場(chǎng)的建立及結(jié)果分析

1）第1階段第96小時(shí)混凝土內(nèi)部最低溫度為15 ℃，最高溫度為30.8 ℃（圖3），最大溫差為15.8 K，混凝土開(kāi)始降溫。

圖3 第1階段第96小時(shí)混凝土內(nèi)部溫度分布

2）第2階段第96小時(shí)混凝土內(nèi)部最低溫度為15 ℃，最高溫度為36.2 ℃（圖4），最大溫差為21.2 K，混凝土開(kāi)始降溫。

圖4 第2階段第96小時(shí)混凝土內(nèi)部溫度分布

3）第3階段第216小時(shí)混凝土內(nèi)部最低溫度為15 ℃，最高溫度為26.6 ℃（圖5），最大溫差為11.6 K，混凝土處于自然降溫階段。

圖5 第3階段第216小時(shí)混凝土內(nèi)部溫度分布

3.3 應(yīng)力場(chǎng)分析

1）第1階段第168小時(shí)承臺(tái)混凝土最大拉應(yīng)力為0.96 MPa（圖6）＜允許拉應(yīng)力1.96 MPa（圖7），最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在第1層承臺(tái)外邊緣及頂部，混凝土不會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂。

圖6 第1階段第168小時(shí)混凝土應(yīng)力分布

圖7 第1階段第168小時(shí)混凝土允許應(yīng)力分布

2）第2階段第168小時(shí)承臺(tái)混凝土最大拉應(yīng)力為1.45 MPa（圖8）＜允許拉應(yīng)力2.18 MPa（圖9），最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在第2層承臺(tái)頂部，混凝土不會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂。

圖8 第2階段第168小時(shí)混凝土應(yīng)力分布

圖9 第2階段第168小時(shí)混凝土允許應(yīng)力分布

3）第3階段第216小時(shí)承臺(tái)混凝土最大拉應(yīng)力為2.49 MPa（圖10）＜允許拉應(yīng)力2.53 MPa（圖11），最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在第3層承臺(tái)外側(cè)，混凝土不會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂。

圖10 第3階段第216小時(shí)混凝土應(yīng)力分布

圖11 第3階段第216小時(shí)混凝土允許應(yīng)力分布

3.4 代表性節(jié)點(diǎn)溫度及應(yīng)力分析

分別在第1層承臺(tái)中間，第1、2層交界，第2層承臺(tái)中間，第2、3層交界，第3層承臺(tái)中間，選擇具有代表性的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行溫度及應(yīng)力分析，根據(jù)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力結(jié)果可知，承臺(tái)施工滿足本計(jì)算中的各種參數(shù)，即承臺(tái)不會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫。

4 養(yǎng)護(hù)優(yōu)化

混凝土澆筑完畢后轉(zhuǎn)入養(yǎng)護(hù)階段。養(yǎng)護(hù)時(shí)應(yīng)盡可能使新澆筑混凝土少失水分及內(nèi)外溫差控制在允許范圍內(nèi)（不大于25 K）。

針對(duì)承臺(tái)大體積混凝土水化熱的問(wèn)題，在澆筑完之后立即用塑料薄膜覆蓋混凝土表面進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，一方面避免塑性收縮裂縫的出現(xiàn)，另一方面起到保溫的作用；上層混凝土頂面待混凝土終凝后應(yīng)進(jìn)行蓄水養(yǎng)護(hù)，蓄水深度10～20 cm。

為保證養(yǎng)護(hù)質(zhì)量，指定專人負(fù)責(zé)保溫養(yǎng)護(hù)工作，并應(yīng)按規(guī)范的有關(guān)規(guī)定操作，同時(shí)做好測(cè)試記錄。保濕養(yǎng)護(hù)的持續(xù)時(shí)間不得少于14 d，過(guò)程中注意檢查塑料薄膜等覆蓋物的完整情況，保持混凝土表面濕潤(rùn)。保溫覆蓋層的拆除根據(jù)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)分層逐步進(jìn)行，當(dāng)混凝土的表面溫度與環(huán)境最大溫差小于20 K時(shí)，方可全部拆除。

5 結(jié)語(yǔ)

大體積混凝土在施工中常常出現(xiàn)溫度裂縫，影響到結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性。通過(guò)大體積混凝土在施工前的混凝土配合設(shè)計(jì)與溫控措施，并進(jìn)行大體積混凝土施工期溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力場(chǎng)分析計(jì)算，得出以下改良建議[5-8]：

1）建議采用低熱水泥施工承臺(tái)，且水泥摻量不宜大于300 kg/m3。

2）建議在混凝土中摻加粉煤灰以減小混凝土發(fā)熱量。

3）施工中應(yīng)在每層承臺(tái)的中心、1/4處、外側(cè)邊埋設(shè)測(cè)溫元件，定時(shí)監(jiān)控混凝土的溫度，以便調(diào)整冷卻管水溫及流量。

4）若實(shí)際施工中混凝土的發(fā)熱參數(shù)、環(huán)境溫度等與本計(jì)算差別很大，應(yīng)對(duì)本計(jì)算進(jìn)行調(diào)整以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。