大體積承臺混凝土施工溫度場及溫控技術(shù)研究

陳龍

(中鐵十一局集團第一工程有限公司， 湖北 襄陽 441000)

隨著中國基礎(chǔ)設施建設的飛速發(fā)展，中國橋梁工程取得了巨大成就，相繼建成了一批深水基礎(chǔ)、大跨徑、施工難度高的大橋或特大橋，如青島海灣大橋、杭州灣跨海大橋、東海大橋、世界最長跨海大橋——港珠澳大橋等世界級橋梁。承臺作為橋梁的關(guān)鍵下部結(jié)構(gòu)，混凝土施工質(zhì)量是保證橋梁基礎(chǔ)安全和耐久性的關(guān)鍵工序。由于承臺體積大，水化熱高，導致內(nèi)部溫度、內(nèi)表溫差過大，容易產(chǎn)生溫度裂縫，因此，混凝土澆筑過程中需采取溫控措施來保證施工質(zhì)量。

國內(nèi)外學者利用理論分析、數(shù)值計算、現(xiàn)場工程實踐等手段對大體積混凝土的溫度計算、溫度場及應力場分布特征以及現(xiàn)場溫控措施進行研究，取得了顯著成果。該文依托南沙港鐵路西江特大橋項目，對承臺大體積混凝土的溫控措施進行研究，分析大體積混凝土溫度場的分布規(guī)律以及冷卻水管的布置方式，設計智能溫度控制系統(tǒng)，并開展現(xiàn)場溫控實踐，以檢驗溫控措施的效果。

1 工程概況

新建南沙港鐵路西江特大橋主橋全長1 118.7 m，為(2×57.5+172.5+600+4×57.5) m鋼箱混合雙主梁等高塔斜拉橋，156#墩為西江特大橋主墩，承臺尺寸為44.7 m×36.8 m×6 m。承臺設計采用C40混凝土進行澆筑，混凝土數(shù)量為9 870 m3。

2 大體積混凝土絕熱溫升的CFD分析

大體積混凝土在澆筑之后的溫度場主要受到內(nèi)部水化熱和自然環(huán)境溫度變化的影響，表面和四周的圍擋覆蓋情況也是重要的影響因素。利用CFD數(shù)值分析技術(shù)對西江特大橋156#承臺所用材料進行水化熱分析和絕熱溫升計算，得到自然冷卻時溫度場的變化規(guī)律，為后續(xù)分析提供數(shù)據(jù)支撐。

跨西江主橋156#承臺一次澆筑成型，每立方米混凝土水泥用量為300 kg?？紤]到承臺水平截面為矩形，選取其1/4對稱部分作為計算模型。

為減少網(wǎng)格數(shù)量和計算量，承臺底部封底混凝土和四周圍堰不再建立實體模型，采用參數(shù)輸入的形式給定。承臺頂部與外界大氣環(huán)境通過對流換熱的形式進行傳熱。采用佛山地區(qū)近10年統(tǒng)計的8 d最高和最低日平均溫度的逐時溫度平均值，作為環(huán)境溫度的最不利工況進行分析，具體溫度值見圖1。

圖1 大氣干球溫度逐時分布圖

初始條件：設定最不利工況，混凝土入模溫度為28 ℃。承臺混凝土物性參數(shù)如表1所示。

表1 承臺混凝土物性參數(shù)

為揭示承臺內(nèi)部溫度場的變化規(guī)律，設置2個監(jiān)測面，共4個監(jiān)測點，如圖2所示。其中坐標原點位于承臺底部中心位置，xz與yz平面為承臺分割面，其對應的兩個面為承臺外部側(cè)面。

圖2 溫度檢測分布

由圖3可知：邊界測點和中心測點的溫度變化趨計算得出各測點的溫度變化曲線如圖3所示。

圖3 溫度變化曲線

勢基本一致，隨時間的增長而增大，增大速率隨著水化熱的減少而降低。中心測點的溫度最高，頂部測點溫度最低，最大溫差達到37.4 ℃，這是由于承臺芯部產(chǎn)生的水化熱相對邊界測點不易散出所致。頂部測點溫度變化趨勢相對其他測點比較平緩，由于頂部和大氣環(huán)境接觸，受大氣環(huán)境溫度變化而變化。

計算得到xz監(jiān)測面和x方向外側(cè)面的平均溫度如圖4所示。

由圖4可知：承臺的對稱面xz監(jiān)測面的平均溫度變化趨勢基本一致，對稱面溫度高于對應外側(cè)面，最大差值為10.5 ℃，可見承臺側(cè)面圍堰結(jié)構(gòu)對承臺起到了一定的“保溫”作用，從而避免了承臺內(nèi)部和表面出現(xiàn)較大的溫差。

圖4 xz監(jiān)測面和x方向外側(cè)面平均溫度

圖5為不同時刻對稱面和頂面的溫度場分布云圖。

由圖5可知：頂面由于直接和大氣環(huán)境接觸，表面溫度變化不大，而對稱面溫度逐漸升高，絕大部分區(qū)域溫度趨于一致，在靠近側(cè)面處溫度略有下降，僅在靠近上表面處溫度梯度變化較大。說明承臺在夏季自然冷卻狀態(tài)下，絕大部分區(qū)域溫度場趨于一致，在靠近外側(cè)面附近溫度略有下降，在靠近頂部附近溫度梯度較大，這是由于承臺混凝土的導溫系數(shù)小，不利于熱量擴散所致。

圖5 不同時刻對稱面和頂面的溫度場分布云圖(單位：℃)

3 通水冷卻方案研究

(1) 冷卻水管長度對散熱的影響特性分析

目前大體積混凝土冷卻水管大多平行布置，管道長度一般小于200 m，根據(jù)混凝土平面尺寸，相應布置一根管道或分區(qū)布置多根管道。平行型管道布置方案如圖6所示。

圖6 平行型管道布置方案圖

由圖6可知：在點劃線分割的相鄰管段內(nèi)，由于管內(nèi)水處于湍流狀態(tài)，流速較快，管段兩端水溫變化較小，兩管段內(nèi)水溫相差也較小。結(jié)合前文CFD計算和大量工程經(jīng)驗可知：當大體積混凝土外表面散熱量較小時內(nèi)部溫度場梯度很小，可認為圖6中虛線包含的六面體區(qū)間為孤立的傳熱系統(tǒng)，即虛線處可近似認為絕熱，建立分析模型如圖7所示。

圖7 絕熱分析模型

模型結(jié)構(gòu)和邊界條件：冷卻水管水平間距和垂直層距均相等，即模型中混凝土截面為正方形，混凝土塊長為100～200 m，冷卻水管直徑為25～80 mm，水的流速為0.5～2.0 m/s，冷卻水進口及混凝土入模溫度均為25 ℃。為保證計算準確性，設定水管進出口端分別長5 m?；炷翂K外表面為絕熱邊界條件，計算時考慮鋼管壁厚和粗糙度等實際情況。該模型可認為是冷卻水管在最不利散熱(側(cè)面由較厚圍堰等圍擋，頂部加水養(yǎng)護等)條件下的工況。

為掌握管道長度對散熱的影響特性，設定模型參數(shù)為：管長分別為100、150和200 m，管間距為1 m，管徑為50 mm，潔凈冷卻水流速為1.5 m/s。共計算171 h管長對出水溫度的影響(如圖8所示)。

圖8 管長對出水溫度的影響

由圖8可知：不同管長時出水溫度均隨時間的變化呈駝峰形曲線。管道越長，冷卻水滯留時間越長，混凝土散熱量越大，冷卻水溫升越大。管長每增大50 m，溫升增大0.5 ℃。

另外，管長增加將導致水流過的路程增加，則會增大阻力損失。計算結(jié)果表明：3種管長下的阻力損失分別為43.41、65.12和86.83 kPa，單位長度阻力均為0.43 kPa。顯然，阻力隨管長線性變化，管道長度增加會加大所需的循環(huán)水泵揚程，從而增大水泵功率。在實際管道布置過程中，管道長度增加還會增加彎頭數(shù)量，進一步增加局部阻力損失，對水泵的揚程和流量需求更大，所以管長應盡可能減少。計算所選擇的長度范圍下，冷卻管道出口水溫升溫最大為2 ℃左右，符合前文模型假設。

(2) 冷卻水管布置方案研究

根據(jù)前文分析可知：管網(wǎng)的布置和水的流速均影響單位質(zhì)量循環(huán)水載熱能力和水泵的功耗大小。冷卻水管網(wǎng)按照冷卻水由熱中心區(qū)流向邊緣區(qū)的原則分層分區(qū)布置，進水管口設在靠近混凝土中心處，出水口設在混凝土邊緣處，每層水管網(wǎng)的進、出水口相互錯開。

考慮到承臺水平斷面面積較大，貫穿整個斷面的管道布局將影響冷卻效果，所以采取對斷面分區(qū)布置管道的方案，如圖9、10所示。

圖9 平行型a方案冷卻水管整體布置圖

圖10 平行型b方案冷卻水管整體布置圖(單位：cm)

管道為DN25的鋼管，水平布局均為平行型，間距分別為93、91 cm，層距為100 cm，每根管長為150 m左右，冷卻水流速控制在1.0 m/s，進口溫度控制在25 ℃以下。

經(jīng)水力計算，a方案的阻力構(gòu)成為150 m沿程阻力+15個彎頭局部阻力；b方案的阻力構(gòu)成為150 m沿程阻力+40個彎頭局部阻力，a方案阻力略小15%。但是b方案彎頭增加，將增大水的擾動，從而增大傳熱系數(shù)，且冷卻水直接進入混凝土芯部，增大芯部傳熱溫差，有利于散熱。整體上b方案冷卻效果優(yōu)于a方案，且對水泵揚程沒有太大的影響。

按照前文冷卻水管道布置方案的分析，對156#承臺設計結(jié)果如下：

管道布置采用平行型b方案，管道采用φ48 mm×3.5 mm的無縫鋼管，水平布局均為平行型，間距為91 cm，冷卻水流速控制為1.0 m/s，進口溫度控制在25 ℃以下。

水平方向：如圖10布置，3根獨立水管均從左側(cè)直管進水，蛇形管出水，其他3/4區(qū)域按對稱布管。距外表面左右均為45 cm，上下為70 cm。單環(huán)路水管橫向長度為6 m，環(huán)路總長為146 m。

垂直方向：層距為85 cm，共設置7層水管，第1～7層水管平面距底部的距離依次為0.4、1.25、2.1、2.95、3.8、4.65和5.5 m。

每一分區(qū)7層水管設置一臺水泵，由分水器連接21根水管，水泵揚程和流量為20 m、150 m3/h。分水器各設置一個安全泄水閥以保證后期控制通水速率，管徑為25 mm，分水器出口安裝電磁閥。

混凝土內(nèi)部管道總長146×3×4×7 m=12 264 m，備料時考慮進出水立管布置方式按實際情況增加。

混凝土澆筑前，冷卻水管確保進行不短于1 h的加壓通水試驗，查看水流量大小是否合適，發(fā)現(xiàn)管道漏水、阻水現(xiàn)象時及時修補。

每層循環(huán)冷卻水管被混凝土覆蓋即可通水，初始抽取深層江水作為冷卻水，后期根據(jù)溫度監(jiān)測結(jié)果，通過積水池調(diào)控水溫使進水溫度與混凝土內(nèi)部最高溫度小于25 ℃。

待冷卻水管停止循環(huán)混凝土養(yǎng)生完成后，先用空壓機將水管內(nèi)殘余水壓出并吹干冷卻水管，然后用壓漿機向水管壓注強度40 MPa以上的微膨脹水泥漿，以封閉管路。

4 智能溫度控制實踐

(1) 溫度測點布置

為實時監(jiān)控承臺內(nèi)部的溫度分布情況，需要在內(nèi)部布置溫度測點。在兩層冷卻水管中間平面沿對稱軸布置，測溫點共設置6層，每層布設16個測點。第1～6層測點平面距底部距離依次為0.1、0.9、2.5、3.4、5.1和5.9 m。溫度測點布置如圖11所示，其中N1和N9測點距離邊界面10 cm，N12距離頂角點15 cm。N13、N14、N15和N16測點為預留測量冷卻水進口及兩個出口的測點(兩個出口選擇1/4部分左右兩個管道出口，中間管道出口不測量)。

圖11 溫度測點布置圖(單位：m)

(2) 智能溫控系統(tǒng)設計方案

對每個管路單獨控制水流量來控制溫度場。電控系統(tǒng)采用PLC為核心控制器，溫度采集傳感器采用Pt100二線制接線方式，按照測溫點布置方案預埋在混凝土內(nèi)部。

(3) 分水器設計與安裝

156#承臺澆筑過程中設置4個集分水器，主管管徑為25 cm，長度為2.49 m，主管上焊接6根下支管，下支管上焊接法蘭盤與電磁閥連接，每個分水器安裝一個安全泄水閥。下支管長度為17 cm，伸入分水器2 cm，管徑為8 cm，間距為32 cm。集分水器加工圖如圖12所示。

圖12 集分水器加工圖(單位：cm)

上支管管徑為8 cm，上支管1、2、4、5、6長度為41 cm，上支管上分別焊接3根分支管，支管3長度為71 cm，支管上分別焊接6根分支管，分支管管徑為2.5 cm，長度為32 cm，伸入支管2 cm，分支管之間的間距為10 cm，分支管與上支管采用滿焊連接。

(4) 156#承臺溫控效果分析

156#承臺歷時66 h整體一次性澆筑完成。由于正值夏季，天氣炎熱，承臺坑內(nèi)空氣流通不暢，在日照的作用下大氣、鋼筋和水管溫度均較高，故每根冷卻水管在澆筑混凝土開始之前1 h即通水，智能溫控系統(tǒng)隨即開機工作，總計采集了20 d的數(shù)據(jù)。

由于溫控系統(tǒng)的采樣頻率為20 min采集一次數(shù)據(jù)，總數(shù)據(jù)量龐大，故選取3 h作為間隔進行統(tǒng)計分析，分別選取每層中心4個測點(4、5、6、10)及承臺邊緣處5個測點(1、2、8、9、12)進行分析。由于篇幅所限，該文僅列出部分區(qū)域測點的溫度變化曲線，如圖13所示。

圖13 不同位置測點溫度變化曲線(注：測點編號xyz中，x為第x層,yz為編號)

由圖13可得：

(1) 混凝土澆筑前的溫度為28 ℃左右，空氣環(huán)境溫度為27 ℃左右，冷卻水初始溫度為25 ℃。由于前期水化熱較大，且大于冷卻水帶走的熱量，所以在混凝土澆筑后的36 h內(nèi)，承臺混凝土內(nèi)部溫度迅速升高。在36 h之后，水化熱產(chǎn)生的熱量小于冷卻水帶走的熱量，溫度開始緩慢下降。

(2) 在同一水平層內(nèi)，中心區(qū)域各測溫點的升降溫速率比較接近，外表面區(qū)域的升降溫速率也比較接近，且前者大于后者，這是因為外表面區(qū)域向外界散熱所致。初始下降速率略大，為2.1～3.4 ℃/d，后期下降速率略小，為1～1.3 ℃/d。

(3) 同一水平層內(nèi)，承臺混凝土內(nèi)部各測溫點溫度變化趨勢基本一致，大部分區(qū)域溫度比較接近，內(nèi)部溫度梯度較小，最高溫度為55 ℃左右。中心測點溫度相對不是最大值，這與常識相悖，原因是冷卻水管道進水管在中心部位，溫度較低的冷卻水首先對中心區(qū)域進行冷卻，使其溫度反而略低于大部分區(qū)域?；炷翜囟茸畹吞幬挥诔信_四周處，此處溫度最高值為45 ℃，說明四周圍堰和環(huán)境加強了散熱，但是由于混凝土導溫系數(shù)較低，造成四周表面處溫度梯度較大。芯表溫差最大為15 ℃左右，也說明圍堰等外部“保溫”效果較好，避免了芯表溫差的增大。

(4) 承臺頂層溫度相對較高，而不是隨外界環(huán)境溫度而變化，這是因為當?shù)貧鉁剌^高，日照強烈，加上采用冷卻水管出水養(yǎng)護承臺頂部，使得承臺頂部形成一個良好的“保溫層”。

(5) 實際測量數(shù)據(jù)與前文模擬計算數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)，相同工況下溫度變化趨勢基本一致，最高溫度比較接近，說明模擬計算采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)比較接近實際。

通過采用智能溫控技術(shù)，承臺混凝土外觀質(zhì)量得到了保證，表面平整，且無裂縫、蜂窩麻面現(xiàn)象。

5 結(jié)論

(1) 自然冷卻時，承臺頂面由于直接和大氣環(huán)境接觸，表面溫度變化不大，承臺內(nèi)部溫度隨澆筑時間的增大而升高，速率逐漸降低。內(nèi)部溫度場趨于一致，在靠近外側(cè)面附近溫度略有下降，在靠近頂部附近溫度梯度較大。

(2) 冷卻水管長度對大體積混凝土的散熱效果影響不大。水平方向分區(qū)對稱布置管道，通過合理設置管道參數(shù)，可實現(xiàn)良好的降溫效果。

(3) 在承臺施工過程中設置智能溫度控制系統(tǒng)，對冷卻水進水溫度、承臺溫度進行實時監(jiān)控和調(diào)節(jié)，具有較好的溫控效果，可有效保證施工質(zhì)量。