溫塘特大橋主橋承臺(tái)大體積混凝土水化熱全過(guò)程仿真分析

張曉林，王德明

（中交路橋華東工程有限公司，上海201203）

1 工程概況

溫塘特大橋主橋采用95m+180m+95m 連續(xù)鋼構(gòu)，為預(yù)應(yīng)力混凝土變截面懸澆箱梁，4 號(hào)和5 號(hào)主墩采用雙肢薄壁墩，左右幅合設(shè)一個(gè)承臺(tái)，平面尺寸為26m×17m，厚度為5m，采用C30 混凝土，墊層采用C25 混凝土。模板采用組合鋼模板，一次澆筑成型施工工藝。采取混凝土內(nèi)布設(shè)冷卻水管，承臺(tái)頂蓄水養(yǎng)護(hù)及承臺(tái)側(cè)模覆蓋保溫層的措施確保大體積承臺(tái)的質(zhì)量。

2 模型的建立

2.1 材料特性

承臺(tái)采用C30 混凝土，配合比（kg/m3）為∶水泥∶粗骨料∶細(xì)骨料∶水∶外加劑∶摻合料=179∶1073∶810∶158∶3.59∶180；墊層采用C25 混凝土。

2.2 混凝土的熱力參數(shù)

混凝土物理熱學(xué)特性參數(shù)如表1 所示。

表1 混凝土物理熱學(xué)特性參數(shù)

2.3 邊界條件

水化熱分析的邊界條件分為有限元模型位移邊界條件和熱傳導(dǎo)分析邊界條件。其中，熱傳導(dǎo)分析邊界條件包括單元對(duì)流邊界、單元固定溫度邊界以及與熱傳導(dǎo)分析相關(guān)的環(huán)境溫度函數(shù)、對(duì)流系數(shù)函數(shù)和熱源函數(shù)[1]。

2.3.1 環(huán)境溫度函數(shù)

環(huán)境溫度對(duì)承臺(tái)混凝土溫度的影響非常顯著，因?yàn)樵牧铣跏紲囟?、混凝土料運(yùn)輸入倉(cāng)、澆筑層的邊界散熱均受到環(huán)境溫度的直接影響[2]?？梢哉f(shuō)除水泥水化熱外，氣溫是直接影響混凝土溫度的最主要因素。氣溫的變化會(huì)對(duì)混凝土的溫度產(chǎn)生較大的影響，也是引起混凝土裂縫的重要原因，并成為計(jì)算溫度應(yīng)力和制定溫控措施的重要依據(jù)[3]。

考慮到溫塘特大橋承臺(tái)大體積混凝土的施工時(shí)間在12 月中旬至1 月之間，參考?xì)v史氣象資料，統(tǒng)計(jì)得到近3～4 年的月平均氣溫，如表2 所示。

表2 近年氣象資料統(tǒng)計(jì)℃

2.3.2 對(duì)流系數(shù)函數(shù)

對(duì)流系數(shù)函數(shù)反映了流體與固體表面之間的換熱能力。表面對(duì)流系數(shù)的數(shù)值與換熱過(guò)程中空氣的物理性質(zhì)、換熱表面的形狀、部位、表面與空氣之間的溫差以及空氣的流速等都有密切關(guān)系。物體表面附近空氣的流速愈大，其表面對(duì)流系數(shù)也愈大。固定表面在空氣中的放熱系數(shù)與風(fēng)速有關(guān)，其在空氣中的散熱系數(shù)可用公式估算：β=23.9+14.5Va（式中，Va為風(fēng)速，m/s）。當(dāng)固體表面采取了保溫措施，可以根據(jù)保溫材料的相關(guān)參數(shù)換算等效對(duì)流系數(shù)[4]。

2.3.3 熱源函數(shù)

熱源函數(shù)一般可以根據(jù)混凝土的配合比進(jìn)行絕熱溫升測(cè)試，試驗(yàn)依據(jù)DL/T 5150—2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》絕熱溫升方法進(jìn)行，承臺(tái)施工用C30 混凝土，參考配合比參數(shù)，7d 絕熱溫升取44.8℃（見(jiàn)圖1）。

圖1 C30 混凝土絕熱溫升擬合曲線(xiàn)

2.3.4 初始溫度條件

初始溫度即為混凝土的入模溫度。入模溫度越高，導(dǎo)致峰值溫度越高，容易出現(xiàn)過(guò)大內(nèi)外溫差。但入模溫度過(guò)低，則易導(dǎo)致混凝土難以初凝。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件，可采取有效措施控制混凝土的入模溫度在15℃以?xún)?nèi)[5]，但建議最低溫度不得低于8℃。因此，計(jì)算時(shí)取入模溫度為15℃。

2.3.5 溫度條件

橋址區(qū)域?qū)賮啛釒嘏瘽駶?rùn)氣候，年均降雨量為1 200～1 430mm，年均蒸發(fā)量1 350～1 650m，年平均氣溫16.5～17.5℃，極端最高氣溫40.1℃，極端最低氣溫-12.1℃，年平均風(fēng)速1.5～2.2m/s，最大風(fēng)速40m/s。因此，計(jì)算分析時(shí)，按照該溫度條件進(jìn)行計(jì)算。

2.3.6 冷卻水管

冷卻管布置為4 層，分別在80cm、190cm、300cm、410cm處，每層布置1 根環(huán)形管，以及2 根核心冷卻管；冷卻管水平管間距為100cm，距離混凝土表面100cm，距離混凝土側(cè)面100cm，具體參數(shù)如表3 所示。

表3 冷卻水管參數(shù)

現(xiàn)場(chǎng)制作2 個(gè)水箱，一個(gè)作為冷循環(huán)水箱，為承臺(tái)提供冷卻水；另一個(gè)作為儲(chǔ)水箱，用于收集承臺(tái)排出的循環(huán)水。循環(huán)水箱容積大于5m3，與承臺(tái)頂面要保證水頭差在5m 以上，保證冷卻水有足夠的水頭差。如條件不具備，則采用分水器加壓。儲(chǔ)水箱置于承臺(tái)冷卻水管出水口處，容積大于2m3。儲(chǔ)水箱和循環(huán)水箱采用水泵相連。

現(xiàn)場(chǎng)同時(shí)配備6 臺(tái)15kW 的水泵，其中2 臺(tái)用于抽取水到冷循環(huán)水水箱中，2 臺(tái)用于抽回收循環(huán)水水箱中熱水到冷循環(huán)水水箱中，2 臺(tái)備用。冷卻水管采用φ50mm×2.5mm 型，每根水管進(jìn)出水分別進(jìn)行編號(hào)，進(jìn)水口設(shè)置單獨(dú)的閥門(mén)，以控制流量。混凝土升溫期直取冷水作為冷卻水，混凝土降溫期采用溫水作為循環(huán)水，并控制進(jìn)水溫度與混凝土內(nèi)部溫度之差≤25℃。溫水的來(lái)源為儲(chǔ)水箱溫水抽回至循環(huán)水箱混合。若循環(huán)水進(jìn)水溫度不滿(mǎn)足要求，采用大功率電熱水器或者鍋爐燒熱水補(bǔ)充熱循環(huán)水

實(shí)施過(guò)程：混凝土澆筑前進(jìn)行不短于30min 的加壓通水試驗(yàn)，查看水流量大小是否合適，發(fā)現(xiàn)管道漏水、阻水現(xiàn)象及時(shí)修補(bǔ)至可正常工作。第1 層混凝土澆筑開(kāi)始即開(kāi)通第1 層水管，混凝土覆蓋第2 層冷卻水管即開(kāi)通2 層水管。第2 層混凝土澆筑開(kāi)始即開(kāi)通第3 層水管，混凝土覆蓋第4 層冷卻水管即開(kāi)通第4 層水管?；炷辽郎仉A段初始采用直取冷水降溫，水量約為2～2.5m3/h；混凝土溫度超過(guò)一定值后利用冷卻管的出水補(bǔ)充熱水控制進(jìn)水溫度與內(nèi)部最高溫度差≤25℃。降溫期間控制降溫速率≤2℃/d。如降溫速率過(guò)快，則酌情調(diào)小閥門(mén)，控制流量。

3 有限元模型

根據(jù)上述混凝土熱工參數(shù)，環(huán)境溫度，混凝土入模溫度，冷卻水管通水溫度條件，以及擬采取的混凝土表面保溫措施等，進(jìn)行混凝土水化熱溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算分析。采用六面體網(wǎng)格單元，兼顧計(jì)算效率和分析精度，承臺(tái)劃分3.75×104單元數(shù)，建立封底混凝土層厚度，考慮了封底混凝土層對(duì)承臺(tái)底部混凝土的熱傳導(dǎo)性能的影響，同時(shí)計(jì)算時(shí)考慮了混凝土收縮徐變對(duì)溫度應(yīng)力場(chǎng)的影響。模型如圖2 所示。

圖2 溫塘特大橋主墩承臺(tái)有限元模型圖

針對(duì)承臺(tái)實(shí)際情況，分析工況如下：承臺(tái)一次澆筑成型，布設(shè)4 層冷卻水管，承臺(tái)頂面蓄水保溫，側(cè)壁鋼模覆蓋保溫對(duì)流系數(shù)采用25kJ/（m2·h·℃），頂面蓄水養(yǎng)護(hù)對(duì)流系數(shù)采用15kJ/（m2·h·℃），入模溫度15℃，環(huán)境溫度按照施工時(shí)間取值，混凝土絕熱溫升44.8℃。

節(jié)點(diǎn)的溫度時(shí)程曲線(xiàn)可以有效反映關(guān)鍵控制節(jié)點(diǎn)溫度隨承臺(tái)水化熱進(jìn)程的變化過(guò)程；在核心溫度區(qū)域和分層澆筑表面布置典型的溫度監(jiān)控點(diǎn)，監(jiān)控施工全過(guò)程關(guān)鍵控制節(jié)點(diǎn)的溫度變化情況[6]。

節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)程曲線(xiàn)可以有效反映關(guān)鍵控制節(jié)點(diǎn)應(yīng)力隨承臺(tái)水化熱進(jìn)程的變化過(guò)程；在核心應(yīng)力區(qū)域和分層澆筑表面布置典型的應(yīng)力監(jiān)控點(diǎn)，監(jiān)控施工全過(guò)程關(guān)鍵控制節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力變化情況。承臺(tái)的應(yīng)力監(jiān)控點(diǎn)同溫度監(jiān)控點(diǎn)。承臺(tái)的溫度、應(yīng)力監(jiān)控點(diǎn)分布情況如圖3 所示。

4 分析計(jì)算結(jié)果

4.1 溫度結(jié)果

承臺(tái)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)溫度計(jì)算結(jié)果如表4 所示。

圖3 承臺(tái)溫度、應(yīng)力監(jiān)控點(diǎn)分布情況

表4 承臺(tái)溫度結(jié)果

4.2 應(yīng)力結(jié)果

承臺(tái)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表5 所示。

表5 承臺(tái)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

經(jīng)建模分析計(jì)算，承臺(tái)最大峰值溫度為53.7℃，最大內(nèi)外溫差＜25℃，應(yīng)力安全系數(shù)＞1.4，滿(mǎn)足溫控規(guī)范要求。

5 結(jié)語(yǔ)

以溫塘特大橋主橋大體積混凝土承臺(tái)為背景，充分考慮了工點(diǎn)施工的實(shí)際因素，通過(guò)三維有限元軟件嚴(yán)謹(jǐn)合理地進(jìn)行水化熱全過(guò)程仿真分析，確保了結(jié)構(gòu)安全，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，保證了施工質(zhì)量，為下步施工工序奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，也為后續(xù)的類(lèi)似工程提供相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)。