大體積混凝土承臺施工水化熱控制研究

羅曉東 祖民星

大體積混凝土澆筑會產(chǎn)生大量的水化熱導致結(jié)構(gòu)裂縫出現(xiàn)，對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐久性造成不利影響。文章以白坡特大橋主墩承臺大體積混凝土澆筑為研究背景，對比Midas Civil有限元軟件模型計算結(jié)果和水化熱實測數(shù)據(jù)，進一步優(yōu)化模型，改進水流速率、進水溫度、冷卻管的尺寸及布置，使模型數(shù)據(jù)更貼近實際水化熱數(shù)據(jù)，更具有指導意義。

橋梁工程;大體積混凝土;水化熱;溫度;仿真模擬;有限元計算;晝夜溫差;冷卻管

U443.25A341184

0 引言

本文采用白坡特大橋主墩承臺作為研究對象。山區(qū)橋梁施工中，存在海拔高、施工難度大、晝夜溫差較大等問題，對承臺水化熱控制困難，水化熱散發(fā)不及時造成承臺內(nèi)外溫差過大，產(chǎn)生溫度裂縫，內(nèi)部溫度急劇上升，產(chǎn)生的溫度應(yīng)力導致結(jié)構(gòu)開裂和結(jié)構(gòu)損傷。對比Midas Civil有限元軟件模型計算結(jié)果和水化熱實測數(shù)據(jù)，對模型進一步優(yōu)化，改進水流速率、進水溫度、冷卻管的尺寸及布置，使模型數(shù)據(jù)更貼近實際水化熱數(shù)據(jù)，更具有指導意義。同時，由于山區(qū)水資源匱乏，降溫到一定溫度時，需采用循環(huán)水，以節(jié)約資源，避免水資源匱乏造成的冷卻管中途斷水，對實體結(jié)構(gòu)物帶來更大的危害，影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐久性[1]。

1 工程概況

白坡特大橋主橋設(shè)計橋型為連續(xù)鋼構(gòu)，跨徑組合為（70+130+70）m，主橋墩位于山體陡坡上，地形有起伏，橫跨V形山谷，海拔為1 237.4～1 169.8 m，相對高差為67.6 m，該橋址區(qū)晝夜溫差大，立體氣候明顯，干濕分明，年平均降水量約960 mm，水資源匱乏。

承臺尺寸為14.6 m×9 m×4 m，采用C40混凝土，用一次性澆筑成型的方法進行施工。布置3層內(nèi)徑40 mm、壁厚2.5 mm鋼管作散熱冷卻管，采用架立鋼筋固定，冷卻管水平方向間距為100 cm，第一、二層離承臺側(cè)面距離都是80 cm，兩層之間間距1 m，每層設(shè)有2個進水口及2個出水口。

由于該地區(qū)缺水，在承臺施工前，在距離主墩承臺右下方200 m處設(shè)置有一蓄水池，蓄水池大小為20 m×6 m×5 m，蓄水池在承臺施工時已蓄滿水，以解決水資源匱乏的難題。通過2臺水泵24 h不間歇抽水至承臺冷卻管內(nèi)，24 h派人專門看守，以確保承臺24 h處于濕潤狀態(tài)。

承臺內(nèi)部布設(shè)3層內(nèi)徑40 mm、壁厚2.5 mm鋼管作散熱冷卻管。布設(shè)溫度監(jiān)測點，實時對水化熱數(shù)據(jù)進行監(jiān)測。

2 建模及參數(shù)計算

2.1 計算參數(shù)

白坡特大橋主墩承臺采用C40混凝土，根據(jù)相關(guān)規(guī)范計算各項參數(shù)如下：

（1）C40混凝土配置強度。

設(shè)計強度fcu，k=40 MPa，根據(jù)相關(guān)資料，每立方米混凝土的材料用量如表1所示[2]。

（2）承臺模型參數(shù)。如表2所示。

（3）冷卻管布置參數(shù)如表3所示。

2.2 模型建立

采用Midas Civil有限元軟件建立大體積承臺模型，對白坡特大橋主墩承臺進行整體有限元建模和分析，承臺實體模型共計3 380個節(jié)點，2 552個單元，取1/4模型進行分析[3]。

定義邊界條件，約束地基表面平移自由度。

定義施工階段為10 h、20 h……360 h，環(huán)境溫度函數(shù)取20 ℃，對流系數(shù)取12 kcal/（m2·h·℃），固定溫度為20 ℃，熱冷管通水100 h。如圖1所示。

2.3 計算結(jié)果

選取混凝土達到最高溫度時內(nèi)部2個點和進水口附近1個點進行監(jiān)控，混凝土內(nèi)部選取節(jié)點29、節(jié)點381、節(jié)點439，如圖2所示。

經(jīng)測溫計實測數(shù)據(jù)如圖3所示。

實測數(shù)據(jù)與計算出現(xiàn)偏差的主要原因分析為：實際環(huán)境中的各項參數(shù)與理論模型部分是不相符的，但計算結(jié)果出現(xiàn)最高溫度位置和實際環(huán)境最高溫度基本吻合，具有參考價值。

3 模型優(yōu)化及參數(shù)優(yōu)化

由Midas Civil溫度時程曲線和實測時程曲線對比可知，理論和實測溫度有偏差。

實測承臺中午環(huán)境溫度為30.2 ℃，夜晚00：00環(huán)境溫度為10.0 ℃，晝夜溫差超過20 ℃，建模時未考慮環(huán)境溫度變化，導致理論和實際有所偏差。

從冷卻管參數(shù)進行分析，其管徑采用設(shè)計推薦尺寸，由此對管冷進水溫度、冷卻水流量這兩個參數(shù)進行分析，對模型進行優(yōu)化，更貼近于實際值，由此更進一步精確建模數(shù)據(jù)，對后續(xù)承臺水化熱施工提供更有力的數(shù)據(jù)分析。

將冷卻管流量根據(jù)實測水流速度調(diào)整為1.5 m3/h后，將冷卻管進水口溫度調(diào)整為實測水溫19 ℃，將環(huán)境溫度調(diào)整為25 ℃，將冷卻管進水時間按照實際控溫時長調(diào)整為150 h。

建立模型時，從可控的客觀條件對水化熱模型進行調(diào)整，調(diào)整水流速率、冷卻管直徑、冷卻管布設(shè)間距及承臺澆筑溫度，對比分析后選擇合適的控溫措施。由于山區(qū)缺乏水資源，待承臺內(nèi)部水化熱溫度達到某個值時，還需要使用循環(huán)水進行降溫。

3.1 對比流速

冷卻管流量為1 m3/h、1.5 m3/h、1.8 m3/h、2.5 m3/h的工況在10 h、30 h、40 h、50 h、70 h、90 h、100 h、150 h、200 h時對數(shù)值模擬進行分析。

由表4可知，冷卻管的冷卻效果隨著冷卻水的流量而變化，水流量越大，冷卻效果越好，在水流量超過1.8 m3/h增加至2.5 m3/h時，降溫效果反而較差。因此選取水流量為1.8 m3/h較為合理，其冷卻效果良好，避免水資源浪費。

3.2 對比冷卻管間距

冷卻管的密集程度能夠有效降低水化熱的溫度和峰值，當冷卻管間距過密時，影響混凝土的澆筑、振搗。冷卻管布設(shè)選取水平間距分別為0.8 m、1 m、1.5 m等工況進行對比分析，其內(nèi)部核心點溫度如圖4所示。

由圖4可知，承臺水化熱降溫速率隨著冷卻管豎向間距的變化而變化，水平間距越密，冷卻效果越好，在冷卻管間距<0.8 m時，冷卻管降溫速率不再變化，因此選取0.8 m的布置間距比較合理，避免了材料的浪費。

3.3 承臺澆筑溫度

承臺澆筑的時段不同，澆筑的溫度不同，對承臺大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工過程中產(chǎn)生裂縫有重要影響，分別選取早上20 ℃、中午30 ℃、晚上15 ℃的溫度進行對比。

從圖5可以看出，承臺水化熱結(jié)果隨澆筑溫度的升高而升高，需要選取合適的澆筑溫度才能有效降低承臺內(nèi)部水化熱峰值。選取混凝土的澆筑時間在下午，溫度為15 ℃，以滿足工程實際需要。

4 結(jié)語

通過Midas Civil有限元模型對施工進行指導時，建模理論要根據(jù)現(xiàn)場實際情況來綜合考慮，使理論建模數(shù)據(jù)更加具有實際指導意義。具體結(jié)論如下：

（1）施工前，要對目前施工現(xiàn)場所具有的資源條件進行分析。在缺水、晝夜溫差較大的情況下，采用Midas Civil有限元模型對承臺水化熱進行分析時，應(yīng)考慮在水化熱降低至平穩(wěn)時采用循環(huán)水，既可以節(jié)約水資源，避免水化熱排放的污水對周邊環(huán)境造成影響，還可避免水資源匱乏造成的冷卻管中途斷水對實體結(jié)構(gòu)物帶來更大的危害，影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐久性[4]。

（2）通過調(diào)節(jié)冷卻管進水口溫度、冷卻管間距、冷卻水流速、混凝土施工時間等參數(shù)對承臺大體積混凝土水化熱結(jié)果進行調(diào)整。選擇20 ℃進水口水溫對承臺進行冷卻，采取0.8 m的冷卻管橫向布置間距，1.8 m3/h的冷卻水流速，具備以上條件后，待下午溫度穩(wěn)定在15 ℃時進行承臺混凝土施工。

（3）理論數(shù)據(jù)要根據(jù)現(xiàn)場實際情況來進行綜合計算，使理論建模數(shù)據(jù)更加具有代表性，讓理論對實際施工更具指導意義。

[1]JTG TF50-2011，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].

[2]JGJ 55-2011，普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程[S].

[3]孫全勝，盧二俠，李 輝.大體積混凝土施工期的水化熱溫度場仿真分析[J]，中外改路，2006，26（6）：159-165.

[4]GB50496-2009，大體積混凝土施工規(guī)范[S].