橋梁承臺大體積混凝土施工水化熱分析 及溫控研究

黃春暉,王劭琨,侯艷芳

(陜西工業(yè)職業(yè)技術學院,陜西 咸陽 712000)

隨著我國橋梁工程的高速發(fā)展,越來越多的大跨徑橋梁建成使用,與之相應的承臺、橋墩、零號塊等大體積混凝土構件也更多的出現(xiàn)在橋梁工程建設中,為此,大體積混凝土澆筑過程中的水化熱分析與控制成為相關學者及工程技術人員關注的熱點。目前關于橋梁大體積混凝土溫控方面的研究主要有:承臺大體積混凝土水化熱控制中冷卻水的冷卻效果[1-4];混凝土澆筑過程中澆筑溫度對水化熱的影響[5-7];大體積混凝土承臺內外溫度控制、養(yǎng)護期間溫差控制及后續(xù)拆模時間等[8-11]。但這些研究成果大多以純數(shù)值模擬分析或監(jiān)控結果分析為主,缺少對大體積混凝土具體溫控方法及實際監(jiān)控過程的研究。本研究通過某多跨連續(xù)梁橋大體積混凝土承臺實際工程的應用分析,對大體積混凝土的溫控方法進行闡述,以期為后續(xù)類似橋梁工程的大體積混凝土承臺施工提供借鑒。

1 工程概況

某多跨連續(xù)梁橋位于貴陽市,連接市區(qū)與曹壩沖隧道。橋梁上跨鐵路南關上行線及西南上行線;左幅橋起點樁號K2+193.41,終點樁號K2+675.67,全長482.26 m;右幅橋起點號YK2+181.36,終點樁號YK2+670.96,全長489.60 m。左、右幅主橋均采用72 m+120 m+72 m變截面預應力混凝土連續(xù)梁橋。

該大橋主橋左、右幅共4個大體積承臺,即Z8號、Z9號、Y7號、Y8號主墩對應的承臺,每個承臺的尺寸均為:長×寬×高=1 220 cm × 1 220 cm ×450 cm(見圖1),每個承臺的混凝土體積都高達670 m3,需要進行水化熱溫度監(jiān)控。根據(jù)施工單位提供的《某大橋承臺大體積混凝土施工方案》,所有承臺均采用1次澆筑成型。本次大體積混凝土的水化熱監(jiān)控對象根據(jù)施工先后順序,選取最早進行施工的左幅Z9號主墩的承臺作為該橋梁的主要水化熱監(jiān)控對象,其余3個承臺的溫度監(jiān)控可以根據(jù)左幅Z9號主墩承臺澆筑情況及溫控的效果確定。

圖1 某多跨連續(xù)梁左幅主橋結構示意圖(單位:m)Fig.1 Diagram of left main bridge structure of a multi-span continuous beam (unit:m)

2 承臺大體積混凝土溫控設計

2.1 測點布置

開工前用Midas Civil有限元分析軟件進行承臺水化熱變化仿真模擬分析,考慮承臺是個規(guī)則長方體,可以利用其對稱性選擇承臺體積的四分之一部分進行溫度變化的測定工作。根據(jù)承臺體積,將50個測溫元件分5層布置在承臺中(見圖2),每層均布10個測點,分別布置在所測平面的軸線及對角線上(見圖3)。

圖2 溫度測量元件在承臺中分層布置示意圖(單位:cm)Fig.2 Schematic diagram of temperature measuring element layering in the platform (unit:cm)

大體積混凝土表面溫度采用與每層的外邊緣最接近的3個測點溫度作為外表面溫度。

2.2 測量元件和儀器

混凝土內部溫度變化采用的測量元件是一線式溫度傳感器SZW-18型,其測溫范圍為-40～125 ℃,溫度精度為±0.5 ℃,分辨率為0.25 ℃。

與上述元件對應的是SZZX-ZHX型智能讀數(shù)儀,它是一種便攜式、多功能讀數(shù)儀。該讀數(shù)儀量程為-40～125 ℃,溫度精度為±0.5 ℃,分辨率為0.25 ℃。

2.3 承臺冷卻水管布置情況

承臺中預先布設的冷卻水管布置形式見圖4～圖6。采用公稱直徑5 cm的鋼管作為冷卻水管,3層水管的進、出水口均設置在承臺的上表面,每一層冷卻水管均設置獨立的進水口和出水口。在溫度監(jiān)控期間通水,應保證水管中的水流量不低于30 L/min。

圖3 溫度測量元件在每層中安裝位置示意圖(單位:cm)Fig.3 Schematic diagram of installation position of temperature measuring element in each layer (unit:cm)

圖4 第一、三層冷卻水管布置平面圖(單位:cm)Fig.4 Layout of cooling water pipes at the first and third floors (unit:cm)

圖5 第二層冷卻水管布置平面圖(單位:cm)Fig.5 Layout of cooling water pipes at the second floor (unit:cm)

2.4 承臺混凝土施工過程

在混凝土澆筑前,預先埋設了溫度測試元件,施工單位先通水試管,保證冷卻水管嚴密不漏水?；炷了椒謱訚仓?一次澆筑完成?；炷翝仓r間:7月2日22時—7月3日18時,歷時20 h。澆筑期間最高氣溫為28 ℃,采用商品混凝土泵送,澆筑工作順利完成。

圖6 冷卻水管布置立面圖(單位:cm)Fig.6 Elevation layout drawing of cooling pipe (unit:cm)

開始放水循環(huán)的時間節(jié)點,選在澆筑的混凝土把第一層冷卻水管完全掩埋時。在整個承臺混凝土的澆筑過程中,未出現(xiàn)因振搗設備振動或泵送混凝土沖擊使冷卻管破壞而出現(xiàn)漏水的現(xiàn)象。

承臺澆筑完成后,監(jiān)控組即開始了7月3日—16日連續(xù)14 d的測溫工作。

3 結果與分析

3.1 同一平面位置在不同層中測點溫度分布

為研究承臺內同一水平位置不同層的測點在同一時間點的溫度分布特點,選取承臺橫橋向靠近中心測點的某次測溫結果繪制出圖7。

圖7 Z9號墩承臺橫向靠近中心測點的溫度變化(7月8日11時所測溫度值)Fig.7 The temperature change of Z9 pier cap near the central measuring point(the temperature was measured at 11 o 'clock on July 8)

由圖7可知:在同一時間點的測量中,同一水平位置不同層的測點所測溫度表現(xiàn)出中間位置高,接近上、下表面位置處低的特點,這與先前采用Midas Civil有限元軟件數(shù)值模擬分析的結果基本一致;在同一水平位置不同層的測點,溫度最高點出現(xiàn)在靠近下部的位置,這與承臺下表面主要通過熱傳導方式向周圍散熱,而上表面主要通過熱輻射方式向周圍散熱,并且會受到空氣流動速度等因素影響加速降溫有關。

3.2 承臺順橋向溫度分布

為研究承臺內溫度順橋向的分布規(guī)律,選取承臺從下往上第二層測點的某次測溫結果繪制出圖8。

圖8 Z9號墩承臺第二測溫層測點順橋向溫度變化(7月11日9時所測溫度值)Fig.8 The temperature change of the second temperature layer of Z9 pier cap along the bridge (the temperature was measured at 9 o 'clock on July 11)

由圖8可知,在同一測溫層,溫度表現(xiàn)出從承臺中心沿順橋向往外逐漸降低,并且在靠近側面的2.0 m左右范圍內急劇降低,為了防止內外溫差過大引起開裂,要做好表層覆蓋等養(yǎng)護措施。

3.3 承臺對角線溫度分布

為研究溫度沿承臺對角線的分布規(guī)律,選取承臺從下往上第四層測點的某次測溫結果繪制出圖9。

圖9 Z9號墩承臺第四層對角線上測點的溫度變化(7月13日16時所測溫度值)Fig.9 The temperature change of measuring point on the diagonal of the fourth floor of Z9 pier (the temperature was measured at 16 o'clock on July 13)

由圖9可知,在同一測溫層,溫度表現(xiàn)出從承臺中心沿對角線向外逐漸降低,并且在接近承臺角的2.8 m左右范圍內溫度急劇降低,其分布規(guī)律與順橋向相似。

3.4 承臺最高溫度分布

從承臺每層順橋向及對角線溫度分布圖可以看出,最高溫度均出現(xiàn)在這一層的承臺平面中心位置,選取5個測溫層每層的中心點D點的同一時刻溫度值繪制出圖10。

圖10 Z9號墩承臺中心豎向位置沿高度的溫度變化(7月6日10時所測溫度值)Fig.10 The temperature change at vertical position of the center of Z9 pier cap varies with the height (the temperature was measured at 10 o'clock on July 6)

由圖10可知,D-3測點是所監(jiān)控承臺的中心點處溫度最高,達67.5 ℃,該溫度已相對偏高,因此建議在后續(xù)幾個承臺的施工中采取措施加密水平向或垂直向冷卻水管,以達到限制最高溫度的目的。

此外,承臺中心位置溫度在同一水平位置不同層的分布同樣表現(xiàn)出中間位置高、接近上下表面位置處低的特點,這與所選取距外壁2.1 m、距中心4 m處B點的溫度豎向變化一致。

3.5 承臺溫度隨時間變化

為研究承臺澆筑后內部溫度隨時間的變化規(guī)律,將所有測點每天的溫度取平均值,繪制出所有測點日平均溫度隨時間變化的曲線圖(見圖11)。

圖11 Z9號橋墩承臺混凝土澆筑完成后日平均溫度隨 時間變化關系Fig.11 The average daily temperature changes with time after concrete pouring of Z9 pier cap

由圖11可知,承臺日平均溫度峰值出現(xiàn)在混凝土澆筑完成后第4天,其峰值達59.4 ℃;承臺澆筑完成后前4天溫度上升很快,說明混凝土水化熱在澆筑后前4天釋放量很大,內外溫差過大導致的開裂也常出現(xiàn)在這幾天,從第5天開始溫度出現(xiàn)下降并逐漸趨于緩和,因此可見,保證正常冷卻水循環(huán)基本能保證承臺不開裂;由于承臺養(yǎng)護全過程中做溫度監(jiān)控,雖然中間出現(xiàn)過幾次短時間的內外溫差超過20 ℃(未超過上限25 ℃),加之現(xiàn)場及時采取了增加循環(huán)水流量的措施(降低內外溫差),因此,未出現(xiàn)承臺開裂等不良狀況。

4 結論

(1) 承臺澆筑后在同一水平面上的水化熱分布無論是沿順橋向還是承臺對角線方向都表現(xiàn)出同一測溫層靠近平面中心溫度高,向外溫度逐漸降低并且在靠近外表面位置溫度急劇降低,這與有限元軟件模擬結果一致,說明可以通過數(shù)值模擬來指導施工,因此要做好表層覆蓋等養(yǎng)護措施,防止開裂。

(2) 承臺澆筑后在不同層同一水平位置水化熱分布的測點,不論是中心位置還是靠近表面位置,不同層同一水平位置測點在同一時間點的豎向溫度都表現(xiàn)出中間位置高、接近上下表面位置處低的特點,并且溫度最高點靠近下部,這主要是上下表面散熱方式不同導致的,為此在后續(xù)工程中可以考慮加密下部冷卻水管,加速降溫。

(3) 通過承臺澆筑后的水化熱隨時間變化關系可以看出,大量水化熱在承臺澆筑完成后的前4天釋放出,因此在澆筑完成后的前幾天要特別注意控制內外溫差在20 ℃以內,防止出現(xiàn)溫度應力過大導致承臺開裂;第4天之后溫度出現(xiàn)下降并逐漸趨于緩和,只要保證冷卻水的正常循環(huán)就不會出現(xiàn)開裂的狀況。本項目在前幾天的溫控中短時間出現(xiàn)過內外溫差超過20 ℃,但未超過25 ℃的上限,現(xiàn)場及時采取了增加循環(huán)水流量的措施,因此建議后續(xù)工程減小冷卻水管間距,以便更好地降低內外溫差。