大體積承臺混凝土水化熱仿真及溫控分析

崔成男CUI Cheng-nan；蔡華CAI Hua；邢振華XING Zhen-hua；宋楠SONG Nan；田戩TIAN Jian

（中建鐵路投資建設(shè)集團有限公司，北京 102601）

1 工程背景

選取位于重慶市內(nèi)的某連續(xù)剛構(gòu)橋主墩承臺進行分析，該橋主墩承臺尺寸為21.0m（橫橋向）×21.0m（縱橋向）×7m（層厚）的整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，承臺混凝土為C40，承臺澆筑方量達到3087.0m3，鋼筋294.4t。承臺分為兩次澆筑，第一次的澆筑厚度為4m，第二次的澆筑厚度為3m。橋墩承臺混凝土體積較大，為掌握砼內(nèi)部最高溫度和內(nèi)外溫差，防止混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，需對大體積混凝土承臺水化熱發(fā)生過程模擬并進行溫度測試及控制。

2 結(jié)構(gòu)仿真分析

2.1 模型參數(shù)設(shè)置

承臺尺寸為21.0m×21.0m×7.0m，由于結(jié)構(gòu)尺寸對稱，此次計算采用1/4 結(jié)構(gòu)進行計算，如圖1 所示，并且考慮承臺外圍2.0m 的地基，材料參數(shù)如表1 所示，冷卻管布置如圖2~圖4 所示。根據(jù)現(xiàn)場情況承臺第一層和第二層擬采用大氣溫度為15.0℃，澆筑溫度為15.0℃進行仿真分析。本次計算采用實體單元建模型。承臺第一層考慮10h、24h、48h、72h、96h、120h、144h……336h 等子工況，承臺第二層考慮澆筑10h、24h、48h、72h、96h、120h、144h……336 h 等子工況。分別研究冷凝管入口溫度為10℃、15℃、20℃三種不同情況下的各層溫度變化情況以及內(nèi)外溫差。

圖4 2、4、6 層冷卻管模型圖

表1 材料參數(shù)

圖1 承臺1/4 模型

圖2 承臺外表面模型圖

2.2 邊界條件

①位移邊界條件。這種承臺的底層是澆注在地基之上的，因此承臺的底板是一個靜止的固定約束。由于采用了對稱性原則[1-2]，在建立承臺的有限元模型時，只建立了1/4的框架結(jié)構(gòu)，因此，在承臺的兩個切割面上都是對稱的，也就是第二種類型的邊界。

②溫度邊界條件。在地基中密封的基礎(chǔ)上，應(yīng)用第一種邊界狀態(tài)：強迫溫度[3-4]。在混凝土澆注過程中，承臺兩側(cè)和上部都與大氣接觸，混凝土在澆注過程中會與外界進行對流，形成熱量的交換，屬于第三種類型：對流界面[5]。

圖3 1、3、5、7 層冷卻管模型圖

2.3 溫度變化情況

根據(jù)計算分析，承臺第一層混凝土澆筑后，隨著水化熱不斷發(fā)生，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生大量的熱量得不到完全釋放，混凝土表面與外界不斷進行熱量交換。因此第一層的溫度呈現(xiàn)中間高、混凝土表面與大氣相差不大的現(xiàn)象。如圖5 所示，承臺混凝土芯部溫度在澆筑后72h 內(nèi)急劇升高并在72h 達到最大值，其中第一、二層芯部混凝土分別達到53.07℃、55.06℃，72h 后芯部溫度隨澆筑時間緩慢降低。

圖5 承臺第一、二層芯部溫度隨時間變化

2.4 溫度應(yīng)力分析

混凝土水化熱產(chǎn)生的熱量使混凝土產(chǎn)生溫度自應(yīng)力，當(dāng)超過混凝土的抗拉強度時，結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)裂縫，因此需要對承臺混凝土澆筑過程中產(chǎn)生的應(yīng)力進行分析。環(huán)境溫度為15℃時，第一層和第二層中心點應(yīng)力大部分在2MPa 以下，未產(chǎn)生受拉開裂。因此大體積混凝土中心點應(yīng)力對于環(huán)境溫度不敏感。

環(huán)境溫度為15℃，第一層混凝土表面最大拉應(yīng)力在混凝土澆筑后384h 達到最大值2.76MPa，整體應(yīng)力在-2.5~2.76MPa 之間，第二層混凝土表面產(chǎn)生的拉應(yīng)力整體表現(xiàn)比較小，應(yīng)力變化曲線如圖6、圖7 所示。

圖6 承臺第一層最大拉應(yīng)力點變化曲線

圖7 承臺第二層最大拉應(yīng)力點變化曲線

3 承臺溫度監(jiān)控

3.1 測點布置

根據(jù)有限元計算結(jié)果，并結(jié)合《大體積混凝土施工標(biāo)準》（GB50496-2018），在承臺上布置21 個溫度測試監(jiān)控點。因承臺形狀是豎向?qū)ΨQ的，故承臺溫度測點布置在1/4承臺平面內(nèi)。其中第一層澆筑，厚度為4m，測位為7 個，厚度方向每測位設(shè)4 個測點，每個承臺共計28 個測點。第二次澆筑，厚度為3m，測位為7 個，厚度方向每測位設(shè)3 個測點，每個承臺共計21 個測點。測點平面布置圖和厚度方向測點布置圖如圖8、圖9 所示。

圖8 承臺溫度測點平面布置圖（單位：cm）

圖9 承臺溫度測點立面布置圖（單位：cm）

3.2 測試方法

現(xiàn)場采用了大體積混凝土智能溫控與自動檢測系統(tǒng)對混凝土的溫度進行監(jiān)測，指標(biāo)檢驗與控制主要有入模溫度、最大升溫、里表溫差、層間溫差、水溫溫升、表面與環(huán)境溫差以及降溫速率[6-10]。并依據(jù)監(jiān)測到的溫度數(shù)據(jù)，自動控制冷卻水的流量及水溫，以控制砼內(nèi)最高溫度、里表溫差、降溫速率等主要指標(biāo)。

在養(yǎng)護過程中，混凝土的內(nèi)部溫度應(yīng)控制在60~70℃之間，表面溫度和周圍溫度差、表面溫度和內(nèi)部溫度差都應(yīng)小于20℃，表面溫度和養(yǎng)護用水溫度差應(yīng)小于15℃。溫峰以后，對砼進行了慢速冷卻，采用隔熱措施對其最大冷卻速度進行了調(diào)控，速率控制在≤2.0℃/d。

3.3 監(jiān)測結(jié)果

冷卻水管進口溫度一般會影響砼溫度峰值及升溫速率，因此分析入口溫度為10℃、15℃、20℃時，砼表面溫度、核心溫度、內(nèi)表溫差隨時間變化的差別。

分別提取一層承臺核心（節(jié)點號：9132），表面（節(jié)點號：9152）1 點，二層承臺核心（節(jié)點號：12519），表面（節(jié)點號：12540）2 點分析混凝土承臺結(jié)構(gòu)溫度場。承臺溫度場變化可分為快速升溫階段、快速降溫階段、緩慢降溫趨于穩(wěn)定階段3 個階段。

①第一層混凝土仿真分析。

第一層承臺混凝土澆筑后，由于水泥水化反應(yīng)，承臺溫度快速升高，核心溫度在48~72h 內(nèi)達到峰值。入口溫度為10℃、15℃、20℃時對應(yīng)的核心溫度峰值47.7℃、50.4℃、53.1℃，表面溫度峰值24.3℃、25.7℃、27.2℃，最大內(nèi)表溫差從24.9℃上升至28.5℃，如圖10~圖12 所示。

圖10 一層不同入口溫度下表面溫度隨時間變化曲線

圖12 一層承臺不同入口溫度下內(nèi)表溫差隨時間變化圖

②第二層混凝土仿真分析。

圖11 一層承臺不同入口溫度下核心溫度隨時間變化曲線

二層承臺混凝土澆筑后，核心溫度在48~72h 內(nèi)達到峰值。入口溫度為10℃、15℃、20℃時對應(yīng)的核心溫度峰值47.9℃、51.5℃、55.2℃，表 面 溫 度 峰 值30.4℃、30.5℃、30.7℃，最大內(nèi)表溫差從20.2℃上升至26.2℃，如圖13~圖15 所示。

圖13 二層承臺不同入口溫度下表面溫度隨時間變化曲線

圖14 二層承臺不同入口溫度下核心溫度隨時間變化曲線

圖15 二層承臺不同入口溫度下內(nèi)表溫差隨時間變化圖

結(jié)果表明：在進口溫度上升后，表面溫度、核心溫度、內(nèi)表溫差初期的增溫速度和峰值溫度均有所提高，而到達峰值溫度的持續(xù)時間較短。由于進口溫度越高，水化率越大，其含水量越大，因而可以采用減小進口管道的溫度來減小混凝土表面和內(nèi)部的溫差[11-13]。

3.4 數(shù)值仿真與工程實測比較

由于承臺溫度測點數(shù)眾多，所以只選擇了兩個典型的測溫層，通過數(shù)值仿真與實測結(jié)果對比，選擇A 層、D 作為承臺內(nèi)部溫度測層，以反映承臺內(nèi)部的溫度變化，結(jié)果如圖16 所示。

分析圖16 可以得出，數(shù)值仿真A 層、D 層內(nèi)部最高溫度總體趨勢與工程實測吻合較好。其中A 層平均相差0.46℃，相對誤差為0.65%，D 層承臺內(nèi)部最高溫度平均相差1.82℃，相對誤差為3.38%。在充分考慮管冷以及現(xiàn)場施工配合比等參數(shù)后，混凝土內(nèi)部絕熱溫升最大值與工程實測值基本吻合，說明有限元模型能達到較好狀態(tài)從而指導(dǎo)施工。

圖16 數(shù)值仿真與工程實測溫度變化

4 結(jié)論

①大體積承臺混凝土溫度監(jiān)控各項參數(shù)在可控范圍內(nèi)，符合規(guī)范要求。②在此基礎(chǔ)上，承臺冷卻管進口處的溫度逐漸上升，使其表層和內(nèi)部的最大溫差也隨之增加，前期升溫速率加快。③承臺溫度分布的改變可以分成快速升溫、快速降溫、緩慢降溫趨于穩(wěn)定階段三個階段。通過降低承臺冷卻水管入口溫度，可以有效地減小混凝土水化凝結(jié)時產(chǎn)生的水化熱，蛇形布置冷卻水管降溫效果顯著。