后環(huán)海堤加固工程承臺(tái)水化熱過(guò)程分析及控制探討

黃健華

(廣東省源天工程有限公司，廣東 廣州 511340)

1 工程概況

后環(huán)海堤位于唐家灣東部，背面為金星門水道，東面為珠江口，海堤建成于1992年，西起留詩(shī)邊，東至淇澳大橋長(zhǎng)度，全長(zhǎng)4.5 km。海堤現(xiàn)狀建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)偏低，堤身單薄，運(yùn)行使用近30年，2017年受臺(tái)風(fēng)“天鴿”襲擊，后環(huán)海堤及其穿堤水閘損壞嚴(yán)重，存在較大的安全隱患，為提高后環(huán)海堤的(防洪)標(biāo)準(zhǔn)，消除后環(huán)海堤上水閘安全隱患，完善防洪(潮)封閉圈，保證片區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)安全，配合高新區(qū)后環(huán)商務(wù)片區(qū)建設(shè)步伐，本工程通過(guò)加固海堤和建設(shè)水閘共組成防洪系統(tǒng)，將有效解決片區(qū)的防洪(潮)等問(wèn)題，同時(shí)改善海堤道路的交通狀況，滿足工程管理要求。本工程水閘結(jié)構(gòu)混凝土在澆筑時(shí)應(yīng)該連續(xù)澆筑，并要求每一處混凝土在初凝前就被后一部分的混凝土覆蓋并搗實(shí)成整體。水閘承臺(tái)混凝土等級(jí)為C40。

大體積混凝土澆筑施工時(shí)，混凝土溫度會(huì)因水泥水化作用而迅速升高，并釋放熱量，但混凝土結(jié)構(gòu)缺乏良好的導(dǎo)熱性，內(nèi)部聚集的熱量很難短時(shí)間內(nèi)散發(fā)，導(dǎo)致承臺(tái)結(jié)構(gòu)局部拉應(yīng)力超限，引發(fā)混凝土溫度裂縫。連接基礎(chǔ)和橋墩的承臺(tái)是主要受力構(gòu)件，必須進(jìn)行承臺(tái)水化熱溫度計(jì)算，控制結(jié)構(gòu)裂縫的出現(xiàn)。

2 承臺(tái)水化熱有限元分析

由于本工程水閘承臺(tái)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，取其1/2進(jìn)行Midas實(shí)體單元有限元模擬，并將地基擬定為一定比熱及熱傳導(dǎo)率的結(jié)構(gòu)，承臺(tái)頂面按照第三類邊界條件設(shè)計(jì)，并將模型劃分為1.4362萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)和1.1086萬(wàn)個(gè)單元。承臺(tái)水化熱有限元模型見(jiàn)圖1。

圖1 1/2承臺(tái)水化熱有限元模型

根據(jù)有限元分析結(jié)果，該水閘承臺(tái)大體積混凝土澆筑過(guò)程中溫度上升速率較快，在澆筑后20h水化熱溫度即達(dá)到最大值，承臺(tái)首層混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)溫度最大為51.9℃，表面溫度最大為37.4℃；承臺(tái)第二層混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)溫度最大為48.5℃，表面溫度最大為40.1℃。結(jié)合《大體積混凝土施工技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定可以得出，該水閘承臺(tái)大體積混凝土在設(shè)計(jì)配合比下絕對(duì)溫升值[1]可達(dá)85.3℃，為此，必須進(jìn)行循環(huán)冷卻水管科學(xué)合理的設(shè)置，以有效降低承臺(tái)大體積混凝土結(jié)構(gòu)水化熱溫度的增長(zhǎng)及對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的不利影響。模型計(jì)算理論值見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 承臺(tái)大體積混凝土首層水化熱溫度理論值

圖3 承臺(tái)大體積混凝土第2層水化熱溫度理論值

3 承臺(tái)水化熱過(guò)程分析

大體積混凝土澆筑溫度、施工進(jìn)度、環(huán)境溫度、表面保護(hù)等是影響澆筑后溫度及水泥水化熱溫升的主要因素。為增強(qiáng)承臺(tái)大體積混凝土溫度計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須選擇恰當(dāng)?shù)姆椒ǎ⑦x擇正確的材質(zhì)參數(shù)。

3.1 混凝土性能

后環(huán)海堤水閘結(jié)構(gòu)封底C20混凝土28 d強(qiáng)度31.7 MPa，根據(jù)《預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》可以得出，其彈性模量為2.48×104MPa，泊松比0.3，密實(shí)度0.235×104kg/m3。水閘承臺(tái)C30混凝土28 d強(qiáng)度40.4 MPa，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，其彈性模量3.10×104MPa，泊松比0.27，密實(shí)度0.237×104kg/m3。

參照《大體積混凝土溫度應(yīng)力及溫度控制》及相關(guān)規(guī)范，當(dāng)環(huán)境溫度20℃時(shí)，原材料及混凝土物理熱學(xué)性能見(jiàn)表1和表2，根據(jù)水泥、粉煤灰、砂、碎石、水、外加劑等原材料的熱學(xué)性能并按照重量進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，可得出封底混凝土和承臺(tái)混凝土的熱學(xué)性能參數(shù)[2]。

表1 原材料及混凝土熱學(xué)性能

表2 混凝土物理熱學(xué)性能

根據(jù)《大體積混凝土溫度應(yīng)力及溫度控制》可以得出普通硅酸鹽水泥水化熱系數(shù)取328 kJ/kg，并根據(jù)水泥水化熱系數(shù)計(jì)算后環(huán)海堤水閘承臺(tái)混凝土絕熱溫升，公式如下：

θ0=Q0(W+kF)/c/ρ

式中：θ0為后環(huán)海堤水閘承臺(tái)混凝土絕熱溫升，℃；Q0為水泥水化熱系數(shù)；W為后環(huán)海堤水閘承臺(tái)水泥用量，kg；k為溫度折減系數(shù)，粉煤灰取0.25；F為后環(huán)海堤水閘承臺(tái)混凝土混合料用量，kg；c為混凝土比熱；ρ為混凝土密度。

將后環(huán)海堤水閘承臺(tái)混凝土相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(1)可以得出其承臺(tái)混凝土絕熱溫升為46.9℃。

3.2 分析條件

按照后環(huán)海堤水閘施工工期安排，承臺(tái)施工在8月份進(jìn)行，環(huán)境平均氣溫為26.8℃，按照相關(guān)規(guī)范，混凝土應(yīng)按澆筑施工時(shí)環(huán)境溫度+3℃進(jìn)行控制，所以分析過(guò)程中取混凝土溫度為30℃。

在進(jìn)行承臺(tái)大體積混凝土溫度計(jì)算時(shí)，邊界分析條件擬定如下：若對(duì)承臺(tái)樁基支撐條件進(jìn)行彈簧模擬，便無(wú)法進(jìn)行承臺(tái)樁基熱量傳遞過(guò)程的模擬，所以本文采用封底混凝土進(jìn)行承臺(tái)底部傳熱過(guò)程的模擬，C20混凝土設(shè)計(jì)厚度0.5 m，并賦予一定的比熱條件和熱傳導(dǎo)率值，以進(jìn)行承臺(tái)混凝土水化熱傳遞過(guò)程的模擬。

3.3 計(jì)算要點(diǎn)

混凝土水化熱升溫是導(dǎo)致承臺(tái)混凝土體積變形的主要原因，混凝土材料在其持續(xù)硬化的過(guò)程中升溫，并在環(huán)境影響下溫度下降，最終趨于穩(wěn)定。因混凝土結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)不大，受到邊界條件的限制后其內(nèi)部各點(diǎn)溫度均會(huì)在不同程度上偏離初始溫度，并形成同時(shí)受到內(nèi)外部約束的非線性溫度應(yīng)力場(chǎng)，其溫度應(yīng)力若超出同齡期混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度便會(huì)引發(fā)溫度裂縫的產(chǎn)生。

為深入分析承臺(tái)大體積混凝土水化熱對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響機(jī)理，設(shè)置循環(huán)水冷卻和不設(shè)置循環(huán)水冷卻兩種環(huán)境，并采用MIDAS Civil程序構(gòu)建實(shí)體模型，分別進(jìn)行承臺(tái)混凝土水化熱溫度應(yīng)力的比較以及不設(shè)置循環(huán)水冷卻對(duì)承臺(tái)混凝土水化熱不利影響的分析。

4 結(jié)果分析

4.1 溫度特征值分析

根據(jù)MIDAS Civil程序?qū)Σ辉O(shè)置循環(huán)水冷卻的情況下承臺(tái)澆筑后第10 h、20 h、60 h及160 h的溫度時(shí)程圖進(jìn)行分析，并選擇模型中溫度最高和溫度最低點(diǎn)位進(jìn)行分析結(jié)果的查看。結(jié)果表明，在不設(shè)置循環(huán)水冷卻的情況下，溫度最高點(diǎn)位通常位于承臺(tái)大體積混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，且最高溫度一般出現(xiàn)在混凝土澆筑結(jié)束后的1 d～2 d。根據(jù)承臺(tái)大體積混凝土澆筑后不同時(shí)間段內(nèi)的溫度特征點(diǎn)位溫度特征值的分析發(fā)現(xiàn)，承臺(tái)首層混凝土澆筑20 h后其結(jié)構(gòu)內(nèi)部最高溫度達(dá)到51.9℃。

在設(shè)置循環(huán)水冷卻的情況下，后環(huán)海堤水閘承臺(tái)大體積混凝土分層澆筑施工時(shí)其結(jié)構(gòu)內(nèi)部降溫主要通過(guò)布設(shè)冷卻水管實(shí)現(xiàn)，以控制其水化熱溫度達(dá)到設(shè)計(jì)溫度要求。承臺(tái)分兩次澆筑施工，單次澆筑高度控制在3.0 m，冷卻水管采用導(dǎo)熱性良好，強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求的公稱口徑50 mm的薄壁鋼管，按照1.0 m的層間距回形均布，共布設(shè)6層，與周圍邊緣的距離為0.5 m，并在每層冷卻水管處均分別設(shè)置6個(gè)進(jìn)出水口，以保證冷卻水在承臺(tái)內(nèi)部循環(huán)過(guò)程中水溫不會(huì)快速升高，并能迅速帶走熱量，使承臺(tái)內(nèi)部混凝土材料溫度迅速降低。冷卻水管的平面和立面布置見(jiàn)圖4，其中1為進(jìn)水口，2為出水口。

(a)平面布置

應(yīng)用MIDAS Civil程序進(jìn)行承臺(tái)內(nèi)部設(shè)置冷卻水管情況的分析，便可得出承臺(tái)澆筑后10 h、20 h、60 h及160 h的溫度時(shí)程圖。為進(jìn)一步分析本工程承臺(tái)大體積混凝土水化熱特征，選擇模型中溫度最高和溫度最低點(diǎn)位進(jìn)行分析結(jié)果的查看，結(jié)果顯示，在承臺(tái)大體積混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部分層布設(shè)冷卻水管降溫效果十分顯著，且溫度最高點(diǎn)一般出現(xiàn)在冷卻水管設(shè)置稀疏及靠近出水口的位置；承臺(tái)大體積混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部最高溫度出現(xiàn)在澆筑后1 d～2 d內(nèi)。根據(jù)不同澆筑時(shí)間段的溫度時(shí)程圖發(fā)現(xiàn)，混凝土澆筑20 d后結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度達(dá)到35.4℃的最高值。

4.2 應(yīng)力特征值分析

通過(guò)MIDAS Civil程序進(jìn)行不設(shè)置和設(shè)置循環(huán)水冷卻兩種工況下承臺(tái)澆筑混凝土應(yīng)力特征值分析，具體包括不設(shè)置和設(shè)置循環(huán)水冷卻情況下允許拉應(yīng)力和結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力之比的最小點(diǎn)位、不設(shè)置和設(shè)置循環(huán)水冷卻情況下壓應(yīng)力最大點(diǎn)位應(yīng)力特征值的分析，結(jié)果表明，在不設(shè)置和設(shè)置循環(huán)水冷卻情況下混凝土澆筑20 h承臺(tái)大體積混凝土表面拉應(yīng)力最大值可達(dá)0.25 MPa和0.15 MPa。

5 結(jié)論

根據(jù)本文分析結(jié)果，在后環(huán)海堤水閘承臺(tái)大體積混凝土中進(jìn)行循環(huán)水冷卻處理的情況下，混凝土澆筑20 h后內(nèi)部最高溫度從不設(shè)置循環(huán)水冷卻情況下的51.9℃降至35.4℃，循環(huán)水冷卻水管對(duì)承臺(tái)大體積混凝土水化熱降溫過(guò)程效果顯著。考慮到本工程水閘承臺(tái)在不設(shè)置冷卻水管的情況下混凝土澆筑后30 h內(nèi)拉應(yīng)力最大，而且施工時(shí)間安排在8月份，環(huán)境溫度較高，水化熱反應(yīng)劇烈，所以，應(yīng)通過(guò)增設(shè)冷卻水管降低水化熱對(duì)承臺(tái)大體積混凝土澆筑過(guò)程的不利影響，控制溫度裂縫的產(chǎn)生。