冬季施工橋梁承臺大體積混凝土水化熱分析

苗 雷，魏進才，劉 毅，朱亞沖，崔鳳坤

(1.中建八局第二建設(shè)有限公司，山東 濟南 250022；2.山東交通學(xué)院 交通土建工程學(xué)院，山東 濟南 250357)

1 工程概況

寧陽至梁山段高速是山東省“九縱五橫一環(huán)七連”高速公路網(wǎng)中“橫四”的關(guān)鍵部分，本項目與京九鐵路交叉處京九鐵路下行線里程為K502+323.0，交叉角度75.8°，為了減小橋梁施工對既有鐵路線路的影響，跨京九鐵路立交橋采用平面轉(zhuǎn)體施工工藝，轉(zhuǎn)體角度為85.3°。主墩(49#橋墩)為矩形空心墩，墩高15.5 m，壁厚1.5 m，橫橋向?qū)挾?3.7 m，縱橋向?qū)挾?.0 m。承臺為臺階式，分上、下兩層。上承臺高4.6 m，順橋向長14.6 m，橫橋向?qū)?4.6 m。下承臺為矩形，與鐵路平行布置，順鐵路方向?qū)?1.5 m，垂直鐵路方向長25.3 m，高5.0 m。

下承臺混凝土設(shè)計強度等級為C50，澆筑量2 515 m3，為典型大體積混凝土施工。為了降低水化熱影響，下承臺分兩層澆筑，第一層澆筑高度為3.9 m，第二層澆筑高度為1.1 m。下承臺施工期為2020年1月，此時梁山地區(qū)已進入冬季施工季節(jié)。

2 承臺有限元分析模型

2.1 模型建立

以下承臺為例，利用MIDAS FEA有限元分析軟件，根據(jù)下承臺實際尺寸建立承臺施工過程仿真分析模型，依據(jù)對稱性原則，取上承臺1/4部分建立模型，如圖1所示。為了提高分析效率和精度，結(jié)構(gòu)整體采用高階六面體單元。模型共劃分為16 379個節(jié)點和16 962個單元。

圖1 下承臺有限元分析模型

2.2 邊界條件

(1)位移邊界條件

通過澆筑混凝土將下承臺與樁基礎(chǔ)連接成為整體，因此二者之間應(yīng)設(shè)為固定約束；由于僅取上承臺1/4部分建立模型，因此在下承臺對稱分割面上施加對稱約束。

(2)溫度邊界條件

模型建立時不考慮樁基與下承臺熱傳遞作用，故下承臺底部可取為強制溫度(第一類邊界條件)；下承臺外側(cè)面及上表面與空氣接觸，在混凝土澆筑前后，與空氣進行熱交換，為對流邊界(第三類邊界條件)，計算公式見公式(1)。

(1)

式中：β為導(dǎo)熱物體表面放熱系數(shù)；Tα為空氣溫度；S為日輻射強度；αs為結(jié)構(gòu)表面輻射熱量吸收系數(shù)；n為導(dǎo)熱物體表面外法線方向。

2.3 環(huán)境及材料參數(shù)

根據(jù)GB 50496-2018《大體積混凝土施工規(guī)范》計算得出下承臺有限元模型中相關(guān)參數(shù)，部分參數(shù)見表1所示。

表1 環(huán)境及材料參數(shù)

3 模型數(shù)值分析

3.1 承臺溫度場

下承臺在無管冷系統(tǒng)的情況下，核心、側(cè)表面溫度經(jīng)時變化曲線如圖2所示，核心溫度約在115 h時達(dá)到溫度峰值68.6 ℃；側(cè)表面溫度在50 h左右達(dá)到溫度峰值42.8 ℃。達(dá)到溫度峰值后，核心及側(cè)表面溫度開始下降，核心、側(cè)表面溫度降溫速率分別為1.17 ℃/d、2.50 ℃/d。入模溫度為8 ℃時，承臺核心、側(cè)表面位置最大溫升值分別為60.6 ℃和34.8 ℃。

圖2 無管冷系統(tǒng)時核心、側(cè)表面溫度經(jīng)時變化曲線

從混凝土澆筑開始到溫度達(dá)到峰值前，里表溫差隨時間變化逐漸增大，190 h時里表溫差達(dá)到最大值37.4 ℃，已超過規(guī)范規(guī)定的里表溫差最大值25 ℃，如圖3所示。

圖3 無管冷系統(tǒng)時里表溫差經(jīng)時變化曲線

由圖2、圖3可知，冬季施工時環(huán)境溫度低，承臺側(cè)表面會快速與空氣進行熱交換，側(cè)表面溫度降溫速率約為核心溫度降溫速率的2.1倍；混凝土急劇升溫后，承臺側(cè)表面達(dá)到的溫度峰值比核心處低，且峰值持續(xù)時間很短，并很快進入降溫階段。因此，承臺表面需采取充分的保溫措施來減小里表溫差。

3.2 設(shè)管冷系統(tǒng)承臺溫度場

現(xiàn)場實際管冷系統(tǒng)采用φ38×3.5 mm的薄壁鋼管，利用絲扣套筒將水管接頭處連接，管冷系統(tǒng)使用S形管路布置，水平管間距1.2 m，距離四周邊緣0.63 m；垂直方向共設(shè)置三層，層間距2 m，上、下層管冷系統(tǒng)距下承臺上、下表面0.5 m。通過MIDAS FEA模擬管冷系統(tǒng)布置，設(shè)入口溫度5 ℃，流量2 m3/h，提取溫度經(jīng)時變化曲線并分析。

下承臺設(shè)置管冷系統(tǒng)時，核心溫度在約85 h時達(dá)到溫度峰值64.2 ℃；側(cè)表面溫度在約50 h時達(dá)到溫度峰值42.4 ℃。達(dá)到溫度峰值后核心及側(cè)表面溫度開始下降，降溫速率分別為3.79 ℃/d、4.37 ℃/d。核心、側(cè)表面溫度在入模溫度8 ℃基礎(chǔ)上對應(yīng)最大溫升值為56.2 ℃和34.4 ℃，如圖4所示。

圖4 有管冷系統(tǒng)時核心、側(cè)表面溫度經(jīng)時變化曲線

混凝土澆筑后，里表溫差逐漸增大，在130 h時里表溫差達(dá)到最大值30.3 ℃，超過規(guī)范規(guī)定的里表溫差最大值25 ℃，如圖5所示。

圖5 有管冷系統(tǒng)時里表溫差經(jīng)時變化曲線

4 有無管冷系統(tǒng)的溫度場對比分析

為了分析管冷系統(tǒng)的設(shè)置對承臺溫度分布規(guī)律的影響，將有無管冷系統(tǒng)的溫度經(jīng)時變化曲線繪制于如圖6所示。

圖6 有無管冷系統(tǒng)溫度經(jīng)時變化曲線

未布設(shè)管冷系統(tǒng)時，由于大體積混凝土產(chǎn)生大量水化熱，混凝土內(nèi)部溫度急劇升溫，僅靠自身與外界的熱交換進行降溫，降溫速率與里表溫差均不符合規(guī)范要求。

布設(shè)管冷系統(tǒng)時，核心、側(cè)表面溫度峰值均有所降低，且達(dá)到溫度峰值所用時長縮短；核心、側(cè)表面溫度降溫速率均有所提高，說明管冷系統(tǒng)有較好的降溫效果。但承臺側(cè)表面降溫速率仍大于規(guī)范規(guī)定值2 ℃/d，核心溫度最大溫升值也大于規(guī)范規(guī)定值50 ℃。

(3)無論是否設(shè)置管冷系統(tǒng)，里表溫差值隨時間變化的的趨勢均是逐漸增大，且里表溫差最大值均大于規(guī)范規(guī)定值25 ℃。

綜上，冬季橋梁承臺大體積混凝土施工會釋放大量的水化熱，為保證降溫速率和里表溫差滿足規(guī)范要求，應(yīng)采取有效的溫控措施來減小大體積混凝土溫度梯度。

5 冬季施工溫控措施

(1)熟料中含硅酸三鈣和鋁酸酸鈣較少的水泥，能夠減少大體積混凝土的水泥水化熱量，從而減小溫度梯度。故應(yīng)當(dāng)選用中熱硅酸鹽水泥、粉煤灰水泥和低熱礦渣水泥。

(2)由于中粗砂比表面積小、孔隙率小，且能夠減少混凝土水泥用量，降低水化熱反應(yīng)程度，因此，應(yīng)選用集配良好的中粗砂作為大體積混凝土細(xì)骨料。

(3)減水劑能減少拌和用水量，降低水灰比，改善和易性；緩凝劑能夠延長混凝土從塑性狀態(tài)向固體狀態(tài)轉(zhuǎn)化時間；膨脹劑使混凝土水化過程中體積膨脹等。所以，在保證混凝土力學(xué)性能的前提下，可在施工過程中添加適量摻加劑。

(4)保溫玻璃棉具有良好的保溫效果。大體積混凝土澆筑之前，在模板外側(cè)貼一層5 cm厚的保溫玻璃棉，待澆筑后，在承臺頂面覆蓋一層塑料薄膜，然后在塑料薄膜上覆蓋一層5 cm厚的保溫玻璃棉。另外，在承臺周圍模板與保溫棉之間、承臺頂部與保溫棉之間布設(shè)蒸汽通道，對澆筑后混凝土進一步養(yǎng)護，養(yǎng)護時間控制在14 d左右。

6 結(jié) 語

依托寧梁高速跨京九鐵路立交橋項目，研究管冷系統(tǒng)的設(shè)置對冬季施工橋梁承臺大體積混凝土溫度場分布規(guī)律的影響。分析結(jié)果表明：僅依靠布設(shè)管冷系統(tǒng)不能滿足大體積混凝土承臺的施工技術(shù)規(guī)范要求，因此，對冬季橋梁承臺大體積混凝土的施工采取專項的溫控措施。