隧道錨錨塞體大體積砼水化熱分析

許鵬

(貴州交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽 550000)

在山區(qū)建設(shè)懸索橋時(shí)，有時(shí)為充分利用當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件，減小錨碇的體積，降低工程造價(jià)，采用隧道錨作為錨碇形式。隧道錨通常由前錨室、錨塞體和后錨室三部分組成，其中錨塞體是承擔(dān)索纜的核心受力構(gòu)件。錨塞體結(jié)構(gòu)尺寸較長，砼澆筑方量大，且施工周期長，經(jīng)歷復(fù)雜的環(huán)境溫度，大體積砼澆筑完成后由于水化熱反應(yīng)使結(jié)構(gòu)整體溫度變化引起體積變化，在受到邊界約束時(shí)會產(chǎn)生溫度應(yīng)力，當(dāng)該溫度應(yīng)力超過砼的抗拉強(qiáng)度時(shí)易導(dǎo)致錨塞體大體積砼出現(xiàn)裂縫，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的使用功能，降低結(jié)構(gòu)的剛度和耐久性。而目前針對隧道錨錨塞體大體積砼水化熱的研究偏少。該文以某懸索橋隧道錨錨塞體大體積砼工程為例，運(yùn)用MIDAS/FEA有限元軟件建立三維實(shí)體模型進(jìn)行水化熱仿真分析，為工程施工提供指導(dǎo)。

1 工程概況

某主跨為1 100 m的雙塔單跨鋼桁梁懸索橋，其中一側(cè)為隧道錨形式，采用框架式前錨室及支墩與隧道錨錨塞體結(jié)合的結(jié)構(gòu)方案。隧道錨碇利用錨址區(qū)附近的圍巖對錨塞體大體積砼形成鎖止結(jié)構(gòu)，將纜索拉力通過錨固系統(tǒng)傳遞給更深層次的巖體。隧道錨洞的開挖深度為73 m，前錨室深34 m，錨塞體長度36 m，后錨室長度3 m。錨塞體中心線傾角為36.2°，前錨面尺寸為13.5 m×15.587 m，后錨面尺寸為17.5 m×29.06 m。

2 砼的裂縫控制

大體積砼出現(xiàn)裂縫的因素眾多，裂縫產(chǎn)生的原因也錯(cuò)綜復(fù)雜，但均可歸結(jié)為膠凝材料與水發(fā)生化合反應(yīng)釋放大量熱量所產(chǎn)生溫度的急劇變化導(dǎo)致溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力超過其自身極限值而使砼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。因此，對于砼的裂縫控制主要是對大體積砼結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的分層澆筑，對原材料進(jìn)行優(yōu)選并優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)，控制砼的絕熱溫升，同時(shí)輔以良好的冷卻水管布置。

2.1 原材料優(yōu)選及配合比優(yōu)化

合理的原材料和配合比設(shè)計(jì)對于提高大體積砼結(jié)構(gòu)的抗裂性能是一個(gè)有效且重要的手段，可從源頭降低砼本身因水化熱反應(yīng)引起的溫度升高。砼的水化反應(yīng)主要是由于水泥這一類膠凝材料與水進(jìn)行反應(yīng)釋放出大量熱量導(dǎo)致結(jié)構(gòu)溫度不斷上升形成不穩(wěn)定的溫度場，砼配合比設(shè)計(jì)中應(yīng)在考慮滿足砼強(qiáng)度的基礎(chǔ)上盡量減少水泥用量。按照這種原則進(jìn)行原材料選擇和配合比設(shè)計(jì)，可在一定程度上降低砼的絕熱溫升和砼開裂風(fēng)險(xiǎn)。

該橋隧道錨錨塞體施工周期長，經(jīng)歷寒冷和高溫時(shí)期，施工環(huán)境變化大，為節(jié)省工期，減少溫度對施工的影響，將原澆筑層高設(shè)計(jì)為2 m的錨塞體更改成3 m一層，共12層澆筑體，并對原材料和配合比重新進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。在原材料選擇方面加大粉煤灰比例并摻入聚丙烯纖維，降低砼的絕熱溫升，提高砼的抗裂和防滲性能。經(jīng)過反復(fù)試配，錨塞體采用C40微膨脹聚丙烯合成纖維抗?jié)B砼，其設(shè)計(jì)配合比見表1。

2.2 絕熱溫升

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，砼絕熱溫升的計(jì)算步驟如下：先計(jì)算每千克砼中水泥的水化熱總量，再依據(jù)粉煤灰摻量所對應(yīng)的水化熱調(diào)整系數(shù)計(jì)算膠凝材料的水化熱總量，最后得出砼的絕熱溫升。水泥的發(fā)熱量為391.3 kJ/kg，C40微膨脹聚丙烯合成纖維抗?jié)B砼的絕熱溫升為：

表1 C40微膨脹聚丙烯合成纖維抗?jié)B砼的配合比

Tmax=Q0×(W+kF)/(cρ)×ξ

(1)

式中：Q0為砼在齡期為無窮大時(shí)的累積水化熱(kJ/kg)；W為水泥用量(kg)；k為折減系數(shù)，k=0.25；F為混合料用量(kg)；c為砼的比熱容，取0.97 kJ/kg；ρ為砼的密度，取2 400 kg/m3；ξ為降溫系數(shù)，取0.68。

根據(jù)式(1)計(jì)算得C40微膨脹聚丙烯合成纖維抗?jié)B砼的絕熱溫升Tmax=35.88 ℃。

2.3 冷卻水管布置

在大體積砼結(jié)構(gòu)澆筑中，合理的冷卻水管布置能大大降低砼整體溫度，避免溫度過高引起砼結(jié)構(gòu)開裂。該橋錨碇澆筑厚度為3 m，內(nèi)部共布置2層冷卻水管，2層水管交錯(cuò)布置形成網(wǎng)格，并在每層各布置2個(gè)進(jìn)水口和2個(gè)出水口，避免因冷卻水管過長導(dǎo)致冷卻效果不佳，同時(shí)減小砼內(nèi)部溫度梯度。冷卻水管水平方向間距為1 m，鉛垂方向間距分配為0.5∶1∶1∶0.5。冷卻水管的相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 冷卻水管的相關(guān)參數(shù)

2.4 熱工參數(shù)

熱工參數(shù)的合理設(shè)定對于計(jì)算結(jié)果精確化具有非常重要的意義。該橋錨塞體水化熱計(jì)算熱工參數(shù)見表3。

表3 計(jì)算參數(shù)

3 水化熱仿真分析

3.1 模型建立

采用MIDAS/FEA建立1/2模型進(jìn)行錨塞體水化熱分析。因隧洞為半封閉環(huán)境，洞內(nèi)空氣對流較小，為準(zhǔn)確分析圍巖對錨塞體熱傳遞及受力的影響，避免計(jì)算過程中熱邊界和應(yīng)力邊界的確定問題，將錨塞體周圍圍巖與錨塞體建立在同一計(jì)算模型中。圖1為圍巖整體模型，圖2為圍巖內(nèi)錨塞體模型，其中錨塞體共26 047個(gè)單元、34 780個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖1 1/2圍巖整體水化熱模型

圖2 1/2錨塞體水化熱模型(12層澆筑)

3.2 溫度場有限元模擬分析

考慮冷卻水管的布置，通過有限元模擬分析，得隧道錨錨塞體砼的溫度分布見圖3，各層內(nèi)部最高溫度見表4。

圖3 隧道錨錨塞體溫度云圖(單位：℃)

表4 砼內(nèi)部最高溫度計(jì)算結(jié)果

由圖3、表4可知：每層新澆筑砼的最高溫度出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)中心位置，為50.3～63.6 ℃，其中第8層中心處溫度最高，為63.6 ℃，小于規(guī)范允許值75 ℃，溫峰出現(xiàn)在砼澆筑完成2～3 d后；各澆筑層內(nèi)部溫度梯度呈線性變化，表明砼內(nèi)部溫度場較均勻，不會因溫度梯度過大而發(fā)生溫度應(yīng)力裂縫。

3.3 溫度應(yīng)力有限元模擬分析

通過裂縫比率或最小抗裂安全系數(shù)判斷結(jié)構(gòu)是否存在水化熱拉應(yīng)力超過砼強(qiáng)度允許應(yīng)力。根據(jù)有限元仿真分析得出錨塞體的整體最小裂縫比率見圖4。砼抗拉強(qiáng)度和防裂性能計(jì)算公式分別見式(2)、式(3)，各澆筑層應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表5。

ftk(t) =ftk(1-e-rt)

(2)

σz=ftk/K

(3)

式中：ftk(t)為齡期t時(shí)砼的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(MPa)，C40砼28 d抗拉強(qiáng)度為2.39 MPa；K為防裂安全系數(shù)，取1.15。

由圖4可知：該橋隧道錨錨塞體最小法向裂縫比率為1.52，法向裂縫比率大于1，表明錨塞體砼各處隨齡期變化發(fā)生的抗拉強(qiáng)度小于砼齡期為t時(shí)的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，結(jié)構(gòu)在理論上不會發(fā)生開裂。

圖4 隧道錨錨塞體最小裂縫比率(法向)

由表5可知：該橋隧道錨錨塞體各澆筑層不同齡期最小防裂安全系數(shù)為1.26，滿足最小防裂安全系數(shù)1.15的技術(shù)要求，表明結(jié)構(gòu)在理論上不會發(fā)生開裂現(xiàn)象。

表5 隧道錨錨塞體溫度應(yīng)力場分析結(jié)果

4 現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，按照砼設(shè)計(jì)配合比及冷卻水管布置方案組織施工，每層埋設(shè)溫度傳感器，布置測試系統(tǒng)。選取第6層具有代表性的測點(diǎn)1#、5#、11#、15#進(jìn)行分析，其中1#、11#測點(diǎn)溫度代表錨塞體基礎(chǔ)表面溫度，5#、15#測點(diǎn)溫度代表支墩基礎(chǔ)內(nèi)部溫度。支墩基礎(chǔ)內(nèi)、外溫度變化見圖5，砼特征點(diǎn)內(nèi)表實(shí)測溫度與溫度場理論值對比見圖6。

圖5 實(shí)測砼特征點(diǎn)內(nèi)、外溫度變化曲線

由圖5、圖6可知：該橋隧道錨錨塞體第6層最高溫度出現(xiàn)在第60～80 h，最高溫度為57.5 ℃，低于允許值75 ℃；內(nèi)外溫差為0～16.9 ℃，符合內(nèi)外溫差指標(biāo)要求；從開始澆筑至45 h溫升較快，至約60 h溫升有所減緩；開始降溫至172 h的降溫速率為0.1～0.2 ℃/h，172 h后降溫速率低于0.1 ℃/h，符合降溫速率指標(biāo)要求。溫度實(shí)測值與理論值的時(shí)程變化基本吻合，錨塞體的水化熱在可控范圍內(nèi)。整個(gè)澆筑過程未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，達(dá)到了溫度控制要求，滿足工程需要。

圖6 砼內(nèi)表溫度實(shí)測值與理論值對比

5 結(jié)論

(1) 大體積砼錨塞體最高溫度為第8層中心處的63.6 ℃，小于規(guī)范允許值75 ℃，法向裂縫比率和防裂安全系數(shù)均表明錨塞體砼各處的抗拉強(qiáng)度小于砼容許抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，優(yōu)化砼配合比和冷卻水管布置，2 m變3 m澆筑層高在技術(shù)上可行。

(2) 典型工況溫度實(shí)測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的時(shí)程變化基本吻合，錨塞體的水化熱在可控范圍內(nèi)，整個(gè)澆筑過程未發(fā)生開裂現(xiàn)象，滿足溫度控制要求和工程需要。