韓磊
(中鐵三局集團(tuán)有限公司,太原 030001)
商合杭高速鐵路是貫通河南、安徽、浙江三省十市的重點(diǎn)工程項(xiàng)目,其控制性工程之一裕溪河特大橋?yàn)殇撓滂炝盒崩瓨?,主?324m,其主塔承臺(tái) 30.5m×23.9m×6m。大體積混凝土的裂縫控制是技術(shù)難點(diǎn),應(yīng)予以足夠重視[1,2]。主塔承臺(tái)因體積較大,需分2次進(jìn)行澆筑,第1次澆筑 3.5m,第2次澆筑2.5m。
大體積混凝土澆筑量大,結(jié)構(gòu)邊界條件復(fù)雜,借助數(shù)值軟件進(jìn)行計(jì)算分析。
采用實(shí)體單元建模,模型劃分為2390個(gè)實(shí)體單元,視承臺(tái)與空氣接觸面單元為第1層對(duì)流邊界,把第1層和第2層接觸面的單元對(duì)流邊界鈍化。
混凝土初始澆筑,初始環(huán)境溫度設(shè)置為 10℃,鋼模外表面與外界環(huán)境的熱對(duì)流系數(shù)為 35.75kJ(/ m2·h·C);設(shè)置地基表面與外界環(huán)境接觸表面的溫度為固定值 10℃;混凝土放熱函數(shù)采用普通硅酸鹽水泥取值 240kg/m3,常數(shù) a 設(shè)為 0.495,最大絕熱溫升 39.8℃,冷卻管管徑 57mm,冷卻水比熱取值4.2kJ(/ kg·C),流量 2.9m3/h,流入溫度 10℃,熱對(duì)流 系 數(shù)1700kJ(/ m·2h·C)。
2.3.1 第一次澆筑
分別取承臺(tái)內(nèi)部溫度較高和承臺(tái)表面應(yīng)力較大節(jié)點(diǎn),繪制承臺(tái)內(nèi)部、外部溫度和應(yīng)力變化曲線。承臺(tái)內(nèi)部的溫度最高,在第 4d時(shí)達(dá)到最高值 29℃,不超過 60℃;內(nèi)外溫差最大值為 19℃,不超過 20℃,滿足溫度控制要求,圖1為承臺(tái)內(nèi)部溫度變化曲線。承臺(tái)表面的主拉應(yīng)力在第 4d時(shí)達(dá)到最大值,為2.3MPa。在整個(gè)澆筑的過程,隨混凝土強(qiáng)度發(fā)展,主拉應(yīng)力值均小于允許應(yīng)力值,滿足應(yīng)力控制要求。
圖1 承臺(tái)內(nèi)部溫度變化曲線
2.3.2 第二次澆筑
與第一次澆筑情況一致,溫度最大值出現(xiàn)在第 4d,溫度最大值為 26℃,主拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在第 4d,主拉應(yīng)力最大值為 2.2MPa。承臺(tái)內(nèi)部和表面的溫差最大值為 17℃。
承臺(tái)自動(dòng)控制降溫系統(tǒng)根據(jù)混凝土內(nèi)部溫度高低自動(dòng)控制冷卻水的循環(huán),并采用出水養(yǎng)護(hù)混凝土,進(jìn)一步縮小內(nèi)外溫差。圖2為自動(dòng)控制降溫系統(tǒng)。
圖2 自動(dòng)控制降溫系統(tǒng)
冷卻水管直徑 φ57mm、壁厚 3mm,第1次澆筑在冷卻水管距離承臺(tái)底面 1m 處布置第1層,第2層于中間布置,第2 層距離第1層 1.5m。
自動(dòng)溫控系統(tǒng)采用控制循環(huán)水的水流和溫度來就行冷卻控制,出水口水溫控制在 40℃以下、進(jìn)水口溫差控制在 5~10℃[3]。
在 1/4 承臺(tái)平面內(nèi)進(jìn)行承臺(tái)混凝土的溫度測(cè)試監(jiān)控。第1次澆筑,共設(shè)49個(gè)測(cè)點(diǎn),厚度方向每側(cè)位設(shè)7個(gè)測(cè)點(diǎn),每條軸線側(cè)位為4個(gè);第2次澆筑,共設(shè)35個(gè)測(cè)點(diǎn),厚度方向每側(cè)位設(shè)5 個(gè)測(cè)點(diǎn),每條軸線側(cè)位為4個(gè)。
降溫效果分析如下:
1)第1層混凝土,芯部最大溫度于澆筑 52h 后達(dá)到峰值43.9℃,小于理論溫度 50.0℃,也小于規(guī)范值 60.0℃;第2層混凝土,芯部最大溫度于澆筑 44h 后達(dá)到峰值 48.0℃,大于理論溫度值 47.6℃,但不大于超差 0.5℃,也小于規(guī)范值 60.0℃。
2)第1層混凝土,表面溫度與暖棚內(nèi)大氣溫度差值小于20.0℃,混凝土芯部溫度與側(cè)表面、與頂表面溫度之差均小于20.0℃,符合規(guī)范要求;第二層混凝土,芯部溫度與側(cè)表面溫度之差、與頂表面溫度之差小于 20℃,僅個(gè)別時(shí)間段最大值為22.2℃,在可控范圍內(nèi)。
3)由于現(xiàn)場(chǎng)施工條件的復(fù)雜性和不確定性,理論仿真分析無法做到與實(shí)際情況的完全一致,承臺(tái)混凝土芯部溫度實(shí)測(cè)值基本在理論計(jì)算值范圍內(nèi),隨時(shí)間變化,其增長(zhǎng)趨勢(shì)與理論值基本一致,符合溫度監(jiān)控要求;僅在養(yǎng)護(hù)后期,部分時(shí)間段實(shí)測(cè)值略微超過理論計(jì)算值,在可控范圍內(nèi)。
通過有限元軟件建立實(shí)體模型,基本能夠真實(shí)反映大體積混凝土施工中水化熱的情況,為大體積混凝土施工方案制訂提供了理論依據(jù)。循環(huán)冷卻水自動(dòng)控制降溫技術(shù)能有效控制混凝土內(nèi)外溫差、降低人力成本,尤其適用于冬季施工。