橋梁主塔大體積混凝土的溫控指標(biāo)仿真分析

賈海艷

（黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑學(xué)院，湖北 黃岡 438002）

大體積混凝土結(jié)構(gòu)厚實(shí)，混凝土量大，工程條件復(fù)雜，施工技術(shù)要求高，水泥水化制熱較大，混凝土在降溫過程中存在較大的內(nèi)表溫差，產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，當(dāng)溫度應(yīng)力大于其抗拉裂縫，同時(shí)受到外部約束時(shí)，容易產(chǎn)生溫度裂縫，且易發(fā)展成為貫穿裂縫[1]。對(duì)大體積混凝土進(jìn)行溫度控制，是避免產(chǎn)生溫度裂縫的有效技術(shù)措施[2]。

1 工程概況

某公路大橋北主塔設(shè)置兩個(gè)分離式矩形承臺(tái)，每個(gè)承臺(tái)的平面尺寸為23m（順橋向）×18m（橫橋向），高為6m，釆用C35 混凝土；承臺(tái)底面設(shè)置0.5m 厚的C25 混凝土墊層；每個(gè)承臺(tái)頂面設(shè)置一個(gè)棱臺(tái)形塔座，頂面尺寸為13m×10.5m，底面尺寸為17m×14.5m，高度2m，采用C50 混凝土。

北主塔塔頂高程為186.000m，塔底高程為29.000m，塔高為157m。塔柱包括塔冠、上塔柱、下塔柱、上橫梁和下橫梁。塔柱標(biāo)準(zhǔn)斷面采用矩形倒圓角的空心截面形式，圓角半徑采用0.3m，斜率變化點(diǎn)以上斷面尺寸為 8.5m ×6.5m～9.3mx7.3m(順橋向x 橫橋向)，斜率變化點(diǎn)以下斷面9.3m×7.3m～9.8m×7.8m(順橋向x橫橋向)；在塔柱根部和頂部各設(shè)置了4m 高實(shí)心段。塔柱采用C50 混凝土。

2 大體積混凝土溫控評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 溫度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

（1）入模溫度：根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（TGT F50-2011）的規(guī)定，在夏季施工時(shí)大體積混凝土應(yīng)符合入模溫度小于等于28℃的要求；冬季施工時(shí)，要符合入模溫度應(yīng)大于等于5℃的要求。因此，本工程混凝土入模溫度控制值要求定為：≥5℃且≤28℃。

（2）混凝土內(nèi)部最高溫度：根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTGT F50-2011）的規(guī)定，大體積混凝土內(nèi)部最高溫度不應(yīng)大于75℃。參考《大體積混凝土施工規(guī)范》（GB50496-2009）的規(guī)定，在入模溫度基礎(chǔ)上混凝土實(shí)際溫度升高應(yīng)小于等于50℃，即若混凝土澆筑溫度為10℃，則內(nèi)部最高溫度不大于60℃；若混凝土澆筑溫度為28℃，則內(nèi)部最高溫度不大于78℃。本項(xiàng)目提出對(duì)混凝土內(nèi)部最高溫度控制值為：混凝土在入模溫度基礎(chǔ)上實(shí)際溫度升高值不大于50℃，且內(nèi)部最高溫度不應(yīng)超過75℃。

（3）混凝土最大內(nèi)表溫差：指混凝土內(nèi)部最高溫度與同一時(shí)刻距表面50mm 處的混凝土最低溫度之差。根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTGT F50-2011）的規(guī)定，大體積混凝土內(nèi)表溫差控制在25℃以內(nèi)。

2.2 應(yīng)力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

大體積混凝土溫控抗裂安全系數(shù)是指在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)值與對(duì)應(yīng)齡期溫度應(yīng)力計(jì)算最大值之比[3]?！端\(yùn)工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術(shù)規(guī)程》（JTS202-1-2010）中通過統(tǒng)計(jì)分析大量溫控開裂情況，從而規(guī)定了大體積混凝土的溫度應(yīng)力抗裂安全系數(shù)應(yīng)不小于1.4。綜合各方面調(diào)研結(jié)果，建議本工程大體積混凝土的溫控抗裂安全系數(shù)不小于1.4。

3 仿真計(jì)算分析

3.1 模型參數(shù)

構(gòu)件尺寸：承臺(tái)為23.0mx18.0m×6.0m；塔座為（17.0～13.0m）×（14.5～10.5m）×2.0m；塔柱根部實(shí)心段為9.8m×7.8m×4.0m

約束條件：墊層采用C25 水下混凝土，厚度0.5m；另受11 根直徑φ3.0m 的C35 嵌巖樁約束。

分層分塊：承臺(tái)分兩層澆筑，澆筑高度為3.0m×2 層，塔座與塔柱根部0.5m 實(shí)心段一次澆筑，塔柱根部3.5m 實(shí)心段分兩次澆筑，第一次澆筑2.0m 實(shí)心段，第二次澆筑剩余的1.5m 實(shí)心段+2.0m 塔柱空心段。

根據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，取主塔承臺(tái)、塔座和塔柱根部段大體積混凝土1/4 進(jìn)行溫度應(yīng)力計(jì)算，計(jì)算模型網(wǎng)格剖分圖見圖1。

圖1 主塔大體積混凝土1/4 網(wǎng)格剖分圖 （附帶墊層約束）

3.2 邊界條件

主塔大體積混凝土澆筑邊界條件如表1 所示。其中：

（1）環(huán)境溫度：承臺(tái)4 月底～6 月下旬施工，環(huán)境溫度取為26±4℃。

（2）入模溫度：中高溫期施工控制為≤28℃，仿真計(jì)算入模溫度取值為28℃。

（3）模板材質(zhì)：承臺(tái)、塔座采用1cm 厚鋼模板，表面等效散熱系數(shù)取為80kJ/（m2·h·℃）；塔柱根部實(shí)心段采用2.1cm 厚WISA 板，表面等效散熱系數(shù)取為25kJ/（m2·h·℃）。

表1 大體積混凝土邊界條件

表2 溫度分析結(jié)果

3.3 仿真計(jì)算結(jié)果

3.3.1 溫度計(jì)算結(jié)果

圖2 主塔承臺(tái)、塔座和塔柱根部實(shí)心段混凝土內(nèi)部最高溫度包絡(luò)圖（單位：℃）

在設(shè)定條件下，主塔承臺(tái)、塔座和塔柱根部實(shí)心段大體積混凝土內(nèi)部最高溫度及最大內(nèi)表溫差結(jié)果見表2，內(nèi)部最高溫度包絡(luò)圖見圖2。

由表2 可以看出，最高溫度和最大內(nèi)表溫差均約在澆筑后第3d 時(shí)出現(xiàn)。內(nèi)部最高溫度計(jì)算值符合《大體積混凝土施工規(guī)范》（GB 50496-2009）中規(guī)定的“混凝土在入模溫度基礎(chǔ)上實(shí)際溫升值小于等于50℃” 要求。最大內(nèi)表溫差符合《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTGTF50-2011）中規(guī)定的“大體積混凝土內(nèi)表溫差控制不高于25℃”要求。

3.3.2 應(yīng)力分析結(jié)果

在設(shè)定條件下，主塔承臺(tái)、塔座和塔柱根部實(shí)心段大體積混凝土溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表3。可以看出，塔柱根部第一節(jié)的3d 最小抗裂安全系數(shù)為1.44（≥1.4），抗裂安全性較高。

表3 溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

（1）各澆筑層內(nèi)部最高溫度及內(nèi)表溫差可滿足本項(xiàng)目大體積混凝土所制定的溫度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）各澆筑層最小抗裂安全系數(shù)為1.44，可以滿足本工程大體積混凝土溫度應(yīng)力抗裂安全系數(shù)取值不小于1.4 的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 溫控標(biāo)準(zhǔn)

溫度控制的方法和制度需根據(jù)氣溫、混凝土配合比、結(jié)構(gòu)尺寸、約束情況等具體條件確定，設(shè)置主控標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行嚴(yán)格管控，并設(shè)置參考標(biāo)準(zhǔn)對(duì)混凝土溫度發(fā)展進(jìn)行輔助評(píng)價(jià)[4]。本工程設(shè)置澆筑溫度、內(nèi)部最高溫度、內(nèi)表溫差及降溫速率四個(gè)主控標(biāo)準(zhǔn)，其它為參考標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合實(shí)際情況，參考相關(guān)規(guī)范，根據(jù)仿真分析結(jié)果對(duì)主塔大體積混凝土制定的溫控標(biāo)準(zhǔn)見表4、表5。

表4 大體積混凝土溫控標(biāo)準(zhǔn)主要指標(biāo)

表5 大體積混凝土溫控標(biāo)準(zhǔn)參考指標(biāo)

5 結(jié)論

大體積混凝土溫控原則是首先要合理控制混凝土的澆筑溫度，最大限度降低混凝土的水化熱溫升、延緩溫峰值出現(xiàn)時(shí)間，其次通過保溫措施控制最高溫度過后混凝土的溫度下降速度，還要降低先澆與新澆混凝土之間、混凝土表面與中心之間的溫差以及控制混凝土表面和環(huán)境氣溫之間的差值。結(jié)合本工程實(shí)際情況，本文通過對(duì)主塔大體積混凝土進(jìn)行仿真分析，根據(jù)仿真分析結(jié)果，并參考相關(guān)規(guī)范，提出了主塔承臺(tái)、塔座、塔柱根部實(shí)心段的溫控主要指標(biāo)和參考指標(biāo)。