橋梁承臺大體積混凝土施工溫控數(shù)值模擬研究

李 健，劉 爽

(1.安徽路橋工程集團有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230001；2.安徽陽望交通建設(shè)有限公司，安徽 安慶 246200；3.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)發(fā)展的不斷深化，我國已成為世界第一橋梁大國。近年來，橋梁施工技術(shù)快速發(fā)展，帶動著大體積混凝土結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用。此類混凝土結(jié)構(gòu)體積大而且散熱難度大，對施工技術(shù)的應(yīng)用把控有著較高的要求?；诖耍瑸榱吮苊獯篌w積混凝土結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量問題的出現(xiàn)，深度分析此課題，提出澆注作業(yè)全過程技術(shù)應(yīng)用管控的策略，有著重要的意義[1]。

整體澆筑的大體積混凝土結(jié)構(gòu)在養(yǎng)護期間，解決因降溫而產(chǎn)生的溫度收縮變形及因水泥水化作用而產(chǎn)生的水化收縮變形這兩種主要變形，是當(dāng)前橋梁施工過程中亟待解決的重要課題。大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工方法與工藝經(jīng)多年發(fā)展，發(fā)現(xiàn)大跨橋梁大體積混凝土在施工過程中即出現(xiàn)溫致早期裂縫。這些溫致裂縫會與其他受力裂縫耦合，甚至影響結(jié)構(gòu)的安全使用。因此，為了避免產(chǎn)生過大的水化熱導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂，必須在大跨橋梁的大體積混凝土施工時開展針對性的溫度控制工作[2]。水泥在加水拌和后會形成水泥漿，這個過程會產(chǎn)生水化熱。影響水泥水化熱的因素包括材料組成、水灰比、外加劑以及養(yǎng)護溫度等。隨著環(huán)境溫度的變化，水泥水化速度也會產(chǎn)生變化。當(dāng)溫度降至零度時，水會固化成冰，水泥水化反應(yīng)基本上也就不會發(fā)生了，混凝土的強度也將不會增長；如氣溫過低，其水分結(jié)冰后會出現(xiàn)膨脹的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致安全隱患?；炷翝仓┕ね瓿珊螅枰皶r進行養(yǎng)護，對濕度進行合理控制，進而保證混凝土的強度。而一旦濕度控制不到位，導(dǎo)致水分缺失，水泥的正常水化就會受到影響，這樣不僅會降低混凝土強度，還會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)松散，產(chǎn)生裂縫，給結(jié)構(gòu)的耐久性和質(zhì)量造成嚴(yán)重威脅[3]。閔建剛等[4]分析了某獨塔空間雙索面斜拉橋工程的承臺施工過程中大體積混凝土澆筑中采取的溫控措施，并給出了對于溫度控制的有效對策。金書成等[5]以寒區(qū)橋梁承臺大體積混凝土施工為背景，模擬冬季施工外部環(huán)境進行混凝土結(jié)構(gòu)溫度場、應(yīng)力場分析，并結(jié)合分析結(jié)果提出溫控標(biāo)準(zhǔn)和施工建議。

本文以望江楊灣河大橋項目為依托，對橋梁承臺這種大體積混凝土專項施工給予了具體施工方案，并通過有限元建模進行計算，得到并分析了施工過程中承臺的溫度變化引起的受力情況，并給出相關(guān)建議。

1 工程概況

1.1 基本信息

楊灣河大橋主橋全長685 m，采用(60+100+365+100+65)m預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，雙塔雙索面，半漂浮體系，邊、中跨比為0.438 4。主塔墩14#、15#墩為啞鈴型承臺，承臺底面標(biāo)高6.303 m，承臺頂面標(biāo)高12.303 m，承臺尺寸為52.4 m×22.95 m×6 m，采用C35混凝土，承臺封底厚度設(shè)計為2 m，封底底面標(biāo)高為4.303 m。

1.2 主墩承臺混凝土澆筑溫控施工方案

1.2.1 配合比設(shè)計

主塔承臺混凝土方量為5 433.2 m3，采用C35混凝土，屬于大體積混凝土，施工分2次澆筑成型，每次澆筑高度為3 m。

在進行大體積混凝土配合比設(shè)計時，除應(yīng)滿足混凝土的強度等級、耐久性及工藝性要求外，還應(yīng)考慮混凝土因水化熱引起的溫升、溫度應(yīng)力及裂縫控制的要求，因此對承臺混凝土的配合比進行專門的設(shè)計。通過試驗對比，最終確定混凝土配合比為水泥∶砂∶碎石∶水∶摻和料=17∶39∶53.85∶8∶3。

1.2.2 管冷布置設(shè)計

冷卻水管采用φ32 mm×2.0 mm的黑鐵管制作，共設(shè)置6層管冷，從下至上分別為第一層至第六層。其中，高度方向上，底層管冷距離承臺底0.5 m，其上管冷豎向中心距為1.0 m，承臺平面上管冷距離承臺外邊緣0.85 m，中心距控制在1.0 m。承臺各層水管交錯布置，但橫梁處六層水管布置均相同。

圖1 主墩承臺平面布置圖

2 溫控模擬計算分析

2.1 設(shè)計參數(shù)

根據(jù)水泥及摻和料的水化熱量計算混凝土絕熱溫升，其中P.O42.5水泥水化熱量為320 kJ/kg，摻和料水化熱量為155 kJ/kg，根據(jù)下式進行計算，得到混凝土絕熱溫升數(shù)值。

計算時考慮徐變對混凝土應(yīng)力的影響，混凝土的徐變?nèi)≈蛋唇?jīng)驗數(shù)值模型，徐變公式帶入程序計算，如下式所示：

C(t,τ)=C1(1+9.20τ-0.45)(1-e-0.3(t-τ))+

C2(1+1.70τ-0.45)(1-e-0.005(t-τ))

式中：C1=0.23/E2，C2=0.52/E2，E2為最終彈性模量。

上述計算中考慮差異齡期收縮差影響，收縮模型按照國家規(guī)范選取。

2.2 溫度應(yīng)力有限元仿真模擬計算

2.2.1 模型參數(shù)

主墩承臺平面尺寸為52.4 m×22.95 m，厚度為6.0 m，分2次澆筑，澆筑厚度分別為3.0 m。根據(jù)結(jié)構(gòu)對稱性，取承臺及系梁混凝土1/4進行溫度應(yīng)力計算，計算模型網(wǎng)格剖分圖如圖2所示。

圖2 承臺模型

水泥由于水化作用釋放熱量，致使混凝土入模溫度較大氣溫度偏高，因此混凝土入模溫度按15 ℃計算。參考氣候資料，風(fēng)速按≥3.9 m/s考慮。澆筑承臺混凝土自0.5 m起，每0.5 m沿厚度方向布置1層φ32 mm(壁厚2.0 mm)的冷卻水管，共布置6層冷卻水管，計算考慮冷卻水管的影響。

2.2.2 模擬分析

混凝土澆筑初期產(chǎn)生大量的水化熱，且混凝土是熱的不良導(dǎo)體，水化熱積聚在混凝土內(nèi)部不易散發(fā)，常使混凝土內(nèi)部溫度上升，而混凝土表面溫度為室外環(huán)境溫度，從而形成了內(nèi)外溫差，導(dǎo)致外表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)這種內(nèi)外溫差引起的溫度應(yīng)力超過了混凝土的抗拉強度，就會導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫。

承臺第一層內(nèi)部最高溫度為49.9 ℃(入模溫度為15 ℃)，溫峰出現(xiàn)時間約為澆筑后第2.0 d。應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖3 承臺澆筑出現(xiàn)最高溫度時刻1/4模型溫度云圖

從圖3可知，混凝土內(nèi)部的溫度相對較高，混凝土表面及側(cè)面自然散熱較慢，混凝土內(nèi)部熱量靠自然降溫較難釋放，混凝土內(nèi)部熱量釋放主要依靠冷卻水管作用。

第二層澆筑施工的第21 d，節(jié)點的主拉應(yīng)力達到最大值1.9 MPa，應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 承臺澆筑出現(xiàn)最高應(yīng)力時刻1/4模型應(yīng)力云圖

由圖4可知，最大拉應(yīng)力為1.90 MPa，未超過容許應(yīng)力值，故不會出現(xiàn)內(nèi)部裂縫。

但由于承臺與系梁相接角隅處未布設(shè)管冷，因此拉應(yīng)力較大，自第7 d起，各時間段均出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。雖然承臺其他部位最小抗裂安全系數(shù)較高，但角隅處后期裂縫危害性大，應(yīng)根據(jù)工況采取相應(yīng)溫控措施。

3 溫度現(xiàn)場監(jiān)測情況

3.1 溫度監(jiān)測內(nèi)容

根據(jù)控制指標(biāo)關(guān)系，溫度監(jiān)測內(nèi)容如下：①混凝土入模溫度；②混凝土?xí)r變最大溫度；③混凝土表面溫度；④入口水溫；⑤出口水溫；⑥環(huán)境溫度。

3.2 承臺測點的布置

第一層混凝土共布置4層測點，從下至上分別為第一層至第四層，第二層混凝土布置3層測點，從下至上分別為第五層至第七層，單個承臺測點總數(shù)為47個?；炷翝仓了療嵘郎刂磷罡邷仉A段溫差變化較大，因此期間數(shù)據(jù)采集頻率為每2 h采集1次；水化熱降溫階段第一周，為每4h采集1次，在此之后延長測溫間隔。通水冷卻過程溫度測量與澆筑塊溫度場測量過程同步進行。采用HNTT—D型溫度自動綜合測試系統(tǒng)測溫儀進行量測。

根據(jù)結(jié)構(gòu)對稱性，選擇1/4區(qū)域進行測試，測點布置如圖5所示。

圖5 測點布置平面圖

3.3 監(jiān)測點理論溫度與實測溫度變化對比曲線

施工分2次澆筑成型，每次澆筑高度為3 m，取第一層三測點的平均溫度進行分析，并以中心點作為內(nèi)部溫度量測點。繪制第一層表面與中心的實測溫度和理論溫度隨時間變化的最高溫曲線圖，如圖6所示。

圖6 14#主墩承臺第一層測點理論值與實測值最高溫曲線圖

由圖6可知，理論值與實測值的變化趨勢一致，且數(shù)值相差不大。理論值小于實測值的原因主要是理論模擬時的模型計算是理想狀態(tài)的冷卻水管流量，并且忽略了冷管堵塞以及人工施工誤差等因素造成的影響。

4 結(jié) 論

本文就橋梁承臺專項施工方案，著重對大體積混凝土施工過程中的管冷設(shè)計進行分析，并且經(jīng)過理論計算與數(shù)值模擬分析方案的合理性，將理論值與實測值進行對比分析得出以下結(jié)論：

(1)利用有限元軟件進行數(shù)值分析，模擬并計算大體積混凝土施工過程中產(chǎn)生的溫度和應(yīng)力，重點分析了溫度變化造成的拉應(yīng)力對構(gòu)件的影響情況，分析結(jié)果驗證了施工方法的可行性。

(2)管冷布置不到位是造成大體積混凝土施工開裂的主要原因。

(3)從工程實例中可以得出，在橋梁承臺類的大體積混凝土施工中，管冷布置施工具有很大的必要性。該方法可以很好地降低水泥引起的水化熱，有效避免混凝土開裂。

本文研究結(jié)論可為類似工程提供理論依據(jù)，具有借鑒意義。