橋梁大體積混凝土承臺水化熱分析及水冷管設計

惠寶龍 曹夢云 李丹

摘 要：橋梁大體積混凝土承臺具有體積大、鋼筋密集的特點，在澆筑時會因水泥水化熱產(chǎn)生較大的熱應力而引起混凝土開裂的現(xiàn)象，從而影響承臺的使用壽命和施工質(zhì)量。本文以某連續(xù)梁橋墩承臺為研究對象，運用Midas/Civil有限元軟件建立實體模型，對大體積混凝土承臺進行水化熱分析，根據(jù)承臺施工過程中溫度和應力變化規(guī)律，確定水冷管布置形式，從而為混凝土配合比的修改及養(yǎng)護方案的制定提供依據(jù)。

關鍵詞：大體積混凝土;有限元分析;水化熱

中圖分類號：U445.57 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）19-0091-03

Abstract： The mass concrete bearing platform of bridge has the characteristics of large volume and dense reinforcement. During pouring， it will cause concrete cracking due to large thermal stress caused by cement hydration heat， which will affect the service life and construction quality of the bearing platform. This paper took a continuous beam pier bearing platform as the research object， established a solid model by using MIDAS / civil finite element software， analyzed the hydration heat of mass concrete bearing platform， and determined the layout form of water cooling pipe according to the variation law of temperature and stress during the construction of bearing platform， so as to provide a basis for the modification of concrete mix proportion and the formulation of maintenance scheme.

Keywords： mass concrete;finite element analysis;hydration heat

大體積混凝土結構在施工期間，水泥的水化反應導致其溫度發(fā)生變化，在受到外部和內(nèi)部約束時將產(chǎn)生較大的溫度應力，容易引起混凝土開裂[1]。裂縫對結構承載力、防水性能、耐久性等都會產(chǎn)生較大影響，因此，做好水化熱測試工作對控制混凝土結構開裂具有重要意義。由于水化熱作用，在大體積混凝土承臺澆筑后將經(jīng)歷升溫期、降溫期和穩(wěn)定期三個階段。在這些階段，隨著溫度的變化，混凝土將會發(fā)生體積收縮，當混凝土體積收縮受到約束就會產(chǎn)生拉應力，該拉應力超過混凝土的抗拉強度，混凝土就會開裂[2]。本文以橋梁的主橋承臺為研究對象，運用有限元分析軟件分析大體積混凝土在有冷水管工況下內(nèi)部水化熱的變化情況，確保工程質(zhì)量。

1 有限元分析

1.1 有限元模型

大橋主墩承臺為大體積混凝土結構，尺寸為14 m×11 m×4.0 m。由于結構尺寸對稱，因此可采用1/2或者1/4結構進行計算。為提高計算效率，本文采用1/4結構進行計算。計算模型如圖1所示。同時，采用MIDAS Civil軟件進行有限元分析。

1.2 結構計算參數(shù)

該橋承臺采用C50混凝土，比熱容為0.25 kJ/（kg·℃），熱傳導率為2.3 kJ/（m2· h·℃），彈性模量為3.3×105 MPa，泊松比為0.2，線膨脹系數(shù)為5.6×10-6，容重為25.49 kN/m3。該承臺分兩次澆筑施工。下層地基材料特性如下：比熱容為0.2 kJ/（kg·℃），熱傳導率為1.7 kJ/（m2· h·℃），彈性模量為1.0×108 MPa，泊松比為0.2，線膨脹系數(shù)為1×10-5，容重為18 kN/m3。

本工程施工時大氣溫度為20 ℃，澆筑溫度為20 ℃。混凝土澆筑時考慮澆筑10 h、20 h、…、1 100 h等施工子工況。本次計算采用實體單元建模型，其中節(jié)點有4 775個，單元為3 696個。

2 結果分析

2.1 溫度分布分析結果

有冷水管和無冷水管混凝土內(nèi)部中心點溫度變化見圖2。

從圖2可知：無冷水管時，混凝土在澆筑120 h后溫度達到最大值，為58.06 ℃;布置冷水管之后，混凝土在澆筑80 h后溫度達到最大值，為41.00 ℃。無冷水管時，混凝土中心點的溫度基本在25.00～58.06 ℃變化;布置冷水管之后，混凝土中心點溫度基本在25.00～41.00 ℃變化。因此，中心點溫度受環(huán)境溫度的影響較小，受混凝土水化熱的影響較大?；炷了療嶂饕c其材料有關，因此，材料配合比不變，中心點溫度最終趨于一致。

2.2 應力分析結果

有冷水管和無冷水管混凝土內(nèi)部中心點應力變化見圖3。

從圖3可以明顯看出，布置冷水管之后，截面的應力小于材料的允許應力。

2.3 冷水管布置分析

根據(jù)水化熱分析結果，確定主墩承臺施工第一階段采用2層直徑為57 mm的冷卻管降溫，施工第二階段采用2層直徑為57 mm的冷卻管降溫。冷水管采用具有一定強度的鋼管，安裝時要注意管內(nèi)通暢，絲口處連接牢靠，并通過試通水檢測，防止在混凝土澆筑過程中出現(xiàn)漏水的現(xiàn)象。

冷水管的水流入溫度為10 ℃，流量取5 m3/h。第一層冷水管在開始澆筑時開始注入，在澆筑170 h后結束;第二層冷水管在開始澆筑5 h后開始注入，在澆筑170 h后結束;第三層冷水管在第二次澆筑時開始注入，在澆筑結束時結束，水管的內(nèi)直徑為 57 mm，對流系數(shù)為1 338 kJ/（m2·h·℃）。共布置3層，第一層布置在距離承臺下表面1.0 m處。

冷卻水管采用直徑為57 mm的圓鋼管。冷水管網(wǎng)按照冷卻水由熱中心區(qū)流向邊緣區(qū)的原則分區(qū)布置，進水管口設置在靠近混凝土中心處，出水口設置在混凝土邊緣處，沿承臺豎向布置1層水平冷卻水管網(wǎng)，管網(wǎng)至承臺頂面距離為2.0 m，距離底層管網(wǎng)距離為1.0 m;同一管網(wǎng)內(nèi)水管間的水平間距為1.0 m，最外層水管距離混凝土最近邊緣0.5 m左右;管網(wǎng)的進出水口需要垂直引出混凝土頂面0.5 m以上，每層水管網(wǎng)的進水口和出水口相互錯開。

3 結論

本文運用有限元軟件進行模擬，分析了大體積混凝土承臺內(nèi)部有無冷水管情況下內(nèi)部中心點溫度分布變化。結果表明，混凝土中心溫度受其水化熱的影響較大，受環(huán)境溫度影響較小。最后，根據(jù)有限元分析承臺應力小于材料允許應力的結果確定了其內(nèi)部冷水管布置形式，防止大體積混凝土承臺因水化熱而產(chǎn)生裂縫現(xiàn)象，提高了施工質(zhì)量。

在大體積混凝土承臺施工過程中提出如下建議。第一，及時在混凝土表面噴水，保證混凝土表面的濕度[3]。第二，在綁扎承臺鋼筋網(wǎng)的同時布置冷水管。布管時，水管要與承臺主筋錯開，當局部管段錯開有困難時，要適當移動水管的位置。水管要與鋼筋骨架或架立鋼筋綁扎牢靠，防止混凝土在澆筑過程中水管變形或接頭脫落而發(fā)生堵水或漏水。第三，采用振搗棒振搗混凝土[4-8]。第四，在振動界限以前對混凝土進行二次振搗，排除混凝土因泌水在粗骨料、水平鋼筋下部生成的水分和空隙，提高混凝土與鋼筋的握裹力，防止因混凝土沉落而出現(xiàn)裂縫，減少內(nèi)部微裂，增加混凝土密實度，提高混凝土抗壓強度，從而提高抗裂性。第五，對大體積混凝土進行保溫、保濕養(yǎng)護，在每次澆筑完混凝土后，除應按普通混凝土進行常規(guī)養(yǎng)護外，還應及時按溫控技術措施的要求進行保溫養(yǎng)護。

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