墩臺(tái)大體積混凝土澆筑溫度應(yīng)力仿真分析
——以某大體積混凝土墩臺(tái)為例

張 萌，李劉雙

(廣東省水利水電第三工程局有限公司，東莞 523710)

1 工程概況

揭陽(yáng)市某項(xiàng)目墩臺(tái)設(shè)計(jì)為水中高樁墩臺(tái)，由兩端異形墩臺(tái)與中間條形系梁組合成啞鈴狀，單個(gè)墩臺(tái)外形尺寸為16.5 m×56.27 m，厚為5.0 m。中間系梁寬為8 m，與墩臺(tái)等厚5.0 m，墩臺(tái)和系梁采用C40混凝土，共3 782.5 m3。墩臺(tái)底部設(shè)計(jì)1 m高C20封底混凝土，單個(gè)墩臺(tái)封底混凝土為668.2 m3。墩臺(tái)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1、結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)圖1。

表1 墩臺(tái)設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 墩臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸示意(單位：mm)

墩臺(tái)結(jié)構(gòu)屬大體積混凝土，施工中應(yīng)采取工藝技術(shù)措施(如優(yōu)化混凝土配合比，調(diào)整粉煤灰和水泥摻量，控制砼入倉(cāng)溫度、對(duì)結(jié)構(gòu)采取“內(nèi)部降溫、外部蓄熱”養(yǎng)護(hù)等有效辦法)，同時(shí)需對(duì)大體積混凝土整個(gè)澆筑及養(yǎng)護(hù)過(guò)程進(jìn)行溫度檢測(cè)，重點(diǎn)控制養(yǎng)護(hù)過(guò)程中墩臺(tái)混凝土結(jié)構(gòu)的里表溫差不大于25 ℃[1]，防止因?yàn)槔锉頊夭钸^(guò)大產(chǎn)生溫度裂縫[2]。

2 氣象資料

工程處于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，日照充足雨量充沛，終年無(wú)雪少霜，年平均氣溫為21.4 ℃。年平均降雨量在1 351～2 144 mm之間，雨季為4—9月，平均在258～432 mm之間。近5年8—11月最高、最低氣溫統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2所示。

表2 揭陽(yáng)市近5a 8—11月最高、最低氣溫統(tǒng)計(jì) ℃

3 溫度應(yīng)力仿真計(jì)算

3.1 設(shè)計(jì)資料

墩臺(tái)混凝土采用C40混凝土，選用P.O 42.5R水泥，配合比見(jiàn)表3，砼結(jié)構(gòu)劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，混凝土物理熱學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表5。

表3 墩臺(tái)混凝土參考配合比 kg/m3

表4 混凝土劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)值 MPa

表5 大體積混凝土物理熱學(xué)性能參數(shù)

3.2 計(jì)算公式模型

1) 絕熱溫升

絕熱溫升數(shù)值模型取雙曲線函數(shù)[4]：

Q(τ)=Q0(1-e-ατβ)

(1)

式中：

Q0——最終絕熱溫升；

α，β——絕熱溫升變化系數(shù)。

2) 彈性模量

彈性模量隨時(shí)間的增長(zhǎng)曲線采用四參數(shù)雙指數(shù)形式[4]，即

E(τ)=E0+E1(1-e-ατβ)

(2)

式中：

E0——初始彈性模量;

E1——最終彈性模量與初始彈性模量之差;

α,β——與彈性模量增長(zhǎng)速率有關(guān)的兩個(gè)參數(shù)。

3) 徐變度

根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，取混凝土徐變度如下(單位：10-6/MPa)：

C(t,τ)=C1(1+9.20τ-0.45)(1-e-0.30(t-τ))+C2(1+1.70τ-0.45)(1-e-0.005(t-τ))

(3)

式中：

E2——最終彈性模量[5]；

C1=0.23/E2，C2=0.52/E2。

4) 放熱系數(shù)

砼表面等效放熱系數(shù)根據(jù)下式計(jì)算：

(4)

式中：

βs——等效放熱系數(shù);

β——放熱系數(shù);

hi——保溫層厚度;

λi——保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)。

該結(jié)構(gòu)側(cè)模采用5 mm鋼板，鋼板外覆蓋約2 mm的塑料薄膜進(jìn)行保溫[6]，λ鋼板取163.29 kJ/(m·h·℃)，β空氣=76.7 kJ/(m·h·℃)，β塑料薄膜=0.23 kJ/(m·h·℃)。

由式(4)得出等效β側(cè)面=46 kJ/(m2·h·℃)。

該結(jié)構(gòu)頂面覆蓋約5 mm的土工布進(jìn)行保溫，β土工布=1.34 kJ/(m·h·℃)，由式(4)得出等效β表面=60 kJ/(m2·h·℃)。

3.3 澆筑溫度

采用《水運(yùn)工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術(shù)規(guī)程》(JTS 202-1-2010)附錄中的公式對(duì)該工程墩臺(tái)混凝土計(jì)劃澆筑月份(8—11月)的混凝土出機(jī)口溫度進(jìn)行估算，配合比采用表3中的參考配合比。通過(guò)控制水泥、粗細(xì)集料、拌合水等原材料溫度，使水泥罐內(nèi)水泥溫度不大于60 ℃、粉煤灰溫度不大于40 ℃[7]。估算處不同月出機(jī)口溫度結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 不同月份出機(jī)口溫度估算

根據(jù)施工計(jì)劃，施工時(shí)間預(yù)計(jì)在8—11月，平均氣溫在21.1℃～30.1 ℃，8月和9月需要增加制冷水和碎冰拌和措施，10月需采取冷水拌和，控制混凝土入倉(cāng)溫度不大于30 ℃[8]。仿真計(jì)算時(shí)墩臺(tái)按最不利工況因素考慮，澆筑溫度取30 ℃。

3.4 模型參數(shù)

1) 入模溫度：墩臺(tái)澆筑溫度按照30 ℃計(jì)算。

2) 環(huán)境溫度：墩臺(tái)施工日期預(yù)設(shè)為2020年8—11月，參考橋址所在地月平均氣溫，并考慮在夜間施工，環(huán)境溫度取26±4 ℃。

3) 散熱系數(shù)：墩臺(tái)側(cè)面散熱系數(shù)取46 kJ/(m2·h·℃)，頂面散熱系數(shù)取60 kJ/(m2·h·℃)。

4) 間隔期：墩臺(tái)2層間隔期為7 d。

5) 分層分塊[9]：?jiǎn)巫张_(tái)按設(shè)計(jì)要求分層分塊進(jìn)行，先施工兩端異形墩臺(tái)，再施工中間條形系梁；墩臺(tái)豎向分兩層施工，第1層3 m，第2層2 m；

6) 冷卻水管：墩臺(tái)混凝土冷卻水管沿厚度方向共布置5層，直徑為Φ42.25 mm，豎向每米布置一層，每層水管橫向間距為1.2 m，采用循環(huán)水箱，計(jì)算考慮冷卻水管的影響。

7) 基礎(chǔ)約束：墩臺(tái)混凝土受封底混凝土約束，封底層厚為1 m，砼等級(jí)為C20，計(jì)算時(shí)取彈模為2.6×104MPa。

8) 仿真計(jì)算：根據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，取半幅墩臺(tái)的一半進(jìn)行分析計(jì)算，仿真計(jì)算從混凝土入倉(cāng)澆筑開(kāi)始，模擬之后60 d的溫度應(yīng)力發(fā)展。

3.5 仿真計(jì)算結(jié)果

在以上設(shè)定條件下，計(jì)算結(jié)果表明在混凝土澆筑完成后的第3 d墩臺(tái)內(nèi)部溫度達(dá)到69.5 ℃，為最高溫度。墩臺(tái)內(nèi)部最高溫度包絡(luò)示意見(jiàn)圖2，應(yīng)力場(chǎng)示意見(jiàn)圖3～圖10，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

圖2 墩臺(tái)混凝土內(nèi)部最高溫度包絡(luò)示意

圖3 墩臺(tái)第1層3 d應(yīng)力場(chǎng)示意

圖4 墩臺(tái)第1層7 d應(yīng)力場(chǎng)示意

圖5 墩臺(tái)第1層28 d應(yīng)力場(chǎng)示意

圖6 墩臺(tái)第1層 60 d應(yīng)力場(chǎng)示意

圖7 墩臺(tái)第2層3 d應(yīng)力場(chǎng)示意

圖8 墩臺(tái)第2層 7 d應(yīng)力場(chǎng)示意

圖9 墩臺(tái)第2層28 d應(yīng)力場(chǎng)示意

圖10 墩臺(tái)第2層60 d應(yīng)力場(chǎng)

表7 墩臺(tái)溫度應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

4 溫控標(biāo)準(zhǔn)

混凝土溫度控制的原則：

1) 控制混凝土澆筑溫度[10](新混凝土澆筑前，經(jīng)振搗的老混凝土表面約10cm處的溫度)；

2) 減緩已澆筑混凝土的溫度上升速率，使內(nèi)部溫度緩慢上升至最高溫度；

3) 減緩混凝土內(nèi)部溫度下降速率，減少混凝土內(nèi)部溫度裂縫[11]；

4) 降低混凝土里表溫差、新舊混凝土之間的溫差和控制砼表面和周邊環(huán)境氣溫之間的溫度差[12]。

根據(jù)上述仿真計(jì)算結(jié)果，結(jié)合該工程的實(shí)際情況，參考《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3650—2020)和《水運(yùn)工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術(shù)規(guī)程》(JTS 202-1-2010)等相關(guān)規(guī)定[13]，對(duì)墩臺(tái)大體積混凝土施工制定的施工各階段混凝土溫度控制指標(biāo)見(jiàn)表8、表9。

表8 大體積混凝土溫控標(biāo)準(zhǔn)主要指標(biāo)

表9 大體積混凝土溫控標(biāo)準(zhǔn)參考指標(biāo) ℃

5 結(jié)語(yǔ)

在根據(jù)《水運(yùn)工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術(shù)規(guī)程》(JTS 202-1-2010)，控制原材料溫度[14]，保證入倉(cāng)溫度不高于30 ℃的條件下，通過(guò)ANSYS軟件溫度應(yīng)力仿真計(jì)算分析結(jié)果表明：

1) 墩臺(tái)澆筑層內(nèi)部最高溫度可滿足《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3650—2020)內(nèi)部最高溫度≤75 ℃要求。

2) 墩臺(tái)澆筑溫度、層內(nèi)部最高溫度可滿足《水運(yùn)工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術(shù)規(guī)程》(JTS 202-1-2010)內(nèi)部最高溫度≤70 ℃要求。

3) 墩臺(tái)第1層7 d和第2層7 d最小抗裂安全系數(shù)分別為1.33和1.39，小于1.4，但安全保證率在80%以上，其他各齡期混凝土安全系數(shù)均大于1.4，安全保證率在85%以上，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。

在8—11月進(jìn)行大體積混凝土澆筑施工時(shí)，應(yīng)通過(guò)計(jì)算采取相應(yīng)措施，通過(guò)降低各原材料溫度來(lái)控制混凝土入倉(cāng)溫度不大于 30 ℃。具體措施建議如下：

1) 制冷水拌和，在水箱中加入碎冰，控制拌和水溫不大于10 ℃，要避免其中有固體冰塊。

2) 氣溫超過(guò)30 ℃時(shí)，可以利用碎冰代替部分拌和水，即制冷水+碎冰拌和混凝土方案，保證出機(jī)口溫度滿足要求。根據(jù)類似工程施工經(jīng)驗(yàn)，每加10 kg冰，可降低新拌混凝土溫度1 ℃。加冰量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)整，最大加冰量為用水量的50%。

3) 儲(chǔ)料倉(cāng)可以搭設(shè)遮陽(yáng)棚對(duì)骨料遮陽(yáng)或噴淋水霧，同時(shí)將倉(cāng)內(nèi)骨料進(jìn)行堆高處理并從底層取料。

4) 控制膠材溫度不大于60 ℃。計(jì)劃澆筑施工前與膠材供應(yīng)廠家做好協(xié)調(diào)，提前一個(gè)月備料待用，膠材進(jìn)場(chǎng)后要充分冷卻后再使用，儲(chǔ)罐外可采用噴淋降底膠材溫度，也可采用多次倒庫(kù)進(jìn)行膠材降溫；

5) 對(duì)制冷水管路、拌合設(shè)備、攪拌車等進(jìn)行灑水、防曬、保溫處理，防止材料溫度的回升。

6) 利用溫度較低時(shí)段施工。

7) 一般當(dāng)澆筑倉(cāng)氣溫高于25 ℃時(shí)采用噴霧機(jī)進(jìn)行噴霧降溫，直至混凝土終凝，不能采用人工噴霧或噴毛槍噴水等方式，噴霧要覆蓋整個(gè)倉(cāng)面，同時(shí)防止倉(cāng)面積水[15]。