高寒地區(qū)轉(zhuǎn)體斜拉橋承臺大體積混凝土溫控研究

劉華東

(中鐵二十二局集團(tuán)第一工程有限公司,黑龍江 哈爾濱 150000)

1 熱傳導(dǎo)基本理論

轉(zhuǎn)體斜拉橋承臺由于球鉸和滑道的存在,使得相應(yīng)位置的混凝土無法采取有效的養(yǎng)護(hù)措施。其中,鋼材與混凝土兩者傳熱存在差異,容易產(chǎn)生溫度裂縫。對于上述問題的求解,可以歸結(jié)為大體積混凝土在相應(yīng)的初始和邊界條件下求解熱傳導(dǎo)方程問題,得到如下的熱傳方程

(1)

式中:T為溫度;t為時間;α為熱傳導(dǎo)系數(shù);θ為混凝土的絕熱溫升

初始條件:當(dāng)t=0時。

T=T0(x,y,x)

(2)

邊界條件

第一類邊界條件為混凝土接觸表面為已知溫度。

T(t)=f(t)

(3)

第二類邊界條件為混凝土表面熱流量為時間的已知函數(shù)

(4)

當(dāng)混凝土表面的熱流量為零時,即混凝土表面為絕熱情況,則有

(5)

式中:λ為混凝土導(dǎo)熱系數(shù);n為混凝土表面法線方向。

第三類邊界條件為混凝土表面與空氣接觸

(6)

式中:lx、ly、lz為法線方向余弦,β為混凝土表面散熱系數(shù);Tα為邊界氣溫。

2 工程概況

跨線橋采用雙塔雙索面轉(zhuǎn)體斜拉橋,全長為434 m(118 m+198 m+118 m),橋面寬30 m,共跨越48條鐵路線。為減小轉(zhuǎn)體斜拉橋施工對鐵路線的影響,采用雙塔雙轉(zhuǎn)體法施工,單幅轉(zhuǎn)體重為29 000 t,是目前我國緯度最高、重量最大的轉(zhuǎn)體斜拉橋。主塔承臺外形為八邊形結(jié)構(gòu),整體尺寸為34.5 m×19.8 m,承臺厚5.8 m。由于承臺頂部需預(yù)埋球鉸定位骨架和滑道,故承臺分兩層澆筑。第一層澆筑4.3 m,第二層澆筑1.5 m,間隔5 d。

承臺選用C40引氣混凝土,根據(jù)選定的原材料并結(jié)合施工現(xiàn)場情況,對主塔承臺大體積混凝土配比進(jìn)行大量的試驗。經(jīng)適配,水泥用量220 kg/m3,粉煤灰用量100 kg/m3,礦粉100 kg/m3,膠凝材料合計420 kg/m3。選用膠凝材料(水泥+粉煤灰+礦粉)∶細(xì)骨料∶粗骨料∶水∶外加劑,質(zhì)量比=1∶1.76∶2.50∶0.38∶0.028作為試驗室配合比。坍落度為185 mm,水膠比0.38,材料用量如表1所示。球鉸和滑道采用Q345鋼材,混凝土與外部環(huán)境的接觸面需設(shè)置對流條件,設(shè)置外部大氣溫度為20 ℃。

表1 C40混凝土材料用量

3 承臺溫度控制要求

由于項目處于高寒地區(qū),環(huán)境氣溫低,轉(zhuǎn)體重量大,加上球鉸位置,混凝土無法采取有效的養(yǎng)生措施。本工程以爭作“國家級優(yōu)質(zhì)工程”為目標(biāo),故對承臺溫升值、內(nèi)表溫差和降溫速率提出了更高要求的溫度控制標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 施工溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

4 承臺施工期溫度場仿真分析

4.1 模型的建立

由于承臺體積較大,為研究承臺內(nèi)部水化熱情況、球鉸及滑道對承臺二次澆筑水化熱的影響,利用midas FEA有限元軟件建立承臺模型。下承臺整體尺寸為34.5 m×19.8 m,承臺厚5.8 m。球鉸直徑為4.5 m,環(huán)形滑道寬1.6 m,厚度為0.03 m,滑道中心半徑6.5 m。混凝土承臺采用實體單元,球鉸定位骨架采用桁架單元,滑到采用板單元模擬。

4.2 參數(shù)模擬

混凝土絕熱溫升值通過表1中C40配合比,經(jīng)計算可得:C40混凝土比熱為0.990 26 kJ/(kg·℃),導(dǎo)熱系數(shù)為9.23 kJ/(mh·℃),密度為2 443.3 kg/m3。代入混凝土熱源函數(shù)(2 s)可知,C40混凝土絕熱溫升為49.851 6 ℃。

(7)

式中:W為水泥用量;C為混凝土比熱;ρ為混凝土密度;F為混合料用量;Q(t)為水泥水化熱;k為折減系數(shù),對于粉煤灰k=0.25。

4.3 冷卻水管布置

冷卻水管采用直徑50 mm,壁厚2.5 mm鋼管。按蛇形布置,共5層。各層冷卻水管水平間距為1.0 m,豎向間距為1.0 m(1～4層)和1.4 m(4～5層)。

4.4 有限元結(jié)果分析

為明確承臺內(nèi)部水化熱情況、球鉸及滑道對承臺二次澆筑水化熱的影響,選取承臺內(nèi)部中心測點(diǎn)為分析對象,分別選取承臺第一層澆筑中心位置處測點(diǎn)A;距第一層頂面0.75 m處測點(diǎn)B;第一層頂面測點(diǎn)C;第二層中心位置處測點(diǎn)D;第二層頂面測點(diǎn)E。

(1)第一層澆筑4.3 m

承臺第一層所有測點(diǎn)中,承臺中心測點(diǎn)A溫度升溫最快,峰值溫度為59.5 ℃,入模溫度為20 ℃,溫升值為39.5 ℃。在85～120 h時,由于表層測點(diǎn)C與大氣接觸,所以測點(diǎn)C降溫速度最快。隨后受第二層混凝土溫度影響,測點(diǎn)C降溫速率逐漸趨于平緩。在150 h時,承臺最大內(nèi)表溫差為17 ℃。

(2)第二層澆筑1.5 m

為分析球鉸及滑道對承臺第二層澆筑水化熱的影響,選取第一層澆筑時測點(diǎn)B、C與第二層澆筑時測點(diǎn)D、E進(jìn)行對比。在第一層澆筑時,距離表面0.75 m測點(diǎn)B峰值溫度為54.2 ℃,此時承臺表面測點(diǎn)C溫度為50.8 ℃,內(nèi)表溫差為3.4 ℃。在第二層澆筑時,承臺中心測點(diǎn)D峰值溫度為52.2 ℃,此時測點(diǎn)E溫度為38.2 ℃,內(nèi)表溫差為14 ℃。

由于測點(diǎn)E位于球鉸下部,球鉸為鋼材導(dǎo)熱性較好,熱量容易傳遞,導(dǎo)致與第一層澆筑情況相比兩者溫差存在明顯差異。說明球鉸和滑道位置處的混凝土降溫較快,若不采取措施及容易出現(xiàn)溫度裂縫。

5 承臺溫度場現(xiàn)場監(jiān)測及分析

5.1 監(jiān)測的埋設(shè)

承臺為整體式中心對稱結(jié)構(gòu),長34.5 m,寬19.8 m,厚5.8 m。監(jiān)測元件采用熱敏電阻傳感器,取任一短半軸和長半軸布置測溫元件,達(dá)到對承臺溫度場的控制,每層布置11個測點(diǎn)。探頭自承臺底向上共布置6層,與冷卻水管間隔布置。

5.2 監(jiān)測結(jié)果分析

為準(zhǔn)確分析承臺溫度場的變化規(guī)律,選取承臺具有代表性的測點(diǎn)繪制溫度時程曲線。其中,圖1(a)～(c)為距承臺底不同厚度處承臺測點(diǎn)的溫度時程曲線,圖1(d)為承臺第二層澆筑測點(diǎn)的溫度時程曲線。

圖1 測點(diǎn)溫度時程曲線

表3 測點(diǎn)溫度綜合監(jiān)測結(jié)果

(1)內(nèi)部溫度

混凝土澆筑工作完成后的85～91 h,承臺各層溫度達(dá)到峰值。其中,混凝土入模平均溫度為20 ℃,承臺內(nèi)部最高溫度為53.7 ℃,絕熱溫升為33.7 ℃,滿足絕熱溫升小于40 ℃的要求。由于在水泥中摻入粉煤灰和礦粉,經(jīng)適配得到混凝土最優(yōu)配合比,大大降低了混凝土水化熱的總量。表明本方案中所采用的混凝土配合比可有效控制大體積混凝土所產(chǎn)生的水化熱;有限元得出在85 h最高溫為59.5 ℃,經(jīng)過對比兩者數(shù)值相近。說明有限元分析模型揭示的規(guī)律,可用于描述施工中的實際情況。

(2)降溫速度和內(nèi)表溫差

由圖3(b)可知,混凝土澆筑工作完成后的87 h,內(nèi)表最大溫差為13.9 ℃,滿足內(nèi)表溫差小于15 ℃的要求。在承臺降溫階段大氣溫度變化較大,100～200 h大氣平均溫度為16 ℃,200 h之后大氣平均溫度為26 ℃。然而,承臺內(nèi)部混凝土未受到外界溫度的影響,降溫趨勢較為平緩。表明在監(jiān)測過程中,承臺內(nèi)部通過調(diào)節(jié)冷卻水管內(nèi)部流速,外部通過覆蓋塑料薄膜、土工布保溫措施,使得降溫速度和內(nèi)表溫差滿足溫控要求。

有限元得出在141 h內(nèi)表最大溫差為20 ℃,原因在于有限元數(shù)值仿真中,冷卻水管內(nèi)的水溫是恒定不變的。而實際過程中冷卻水管內(nèi)的水由于吸收混凝土的熱量,溫度逐漸升高,加上現(xiàn)場混凝土采取相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)措施,導(dǎo)致兩者內(nèi)表溫差存在差異。

(3)第二層澆筑

為分析球鉸及滑道對承臺第二層澆筑水化熱的影響,通過圖1(c)和(d)對比可知:在第一層澆筑時,距離表面0.75 m中心測點(diǎn)峰值溫度為46.2 ℃,此時承臺表面測點(diǎn)溫度為41.1 ℃,內(nèi)表溫差為5.1 ℃。在第二層澆筑時,承臺中心測點(diǎn)峰值溫度為46.6 ℃,此時球鉸下部混凝土測點(diǎn)溫度為43.2 ℃,內(nèi)表溫差為3.4 ℃。通過有限元分析得出在球鉸和滑道位置處,混凝土降溫速度較快。故在球鉸和滑道位置處,采取表面覆蓋聚苯乙烯泡沫板的保溫措施。并且在承臺內(nèi)部通過控制冷卻水管內(nèi)的流速,使得內(nèi)表溫差得到了有效的控制。兩者內(nèi)表溫差對比表明球鉸和滑道表面覆蓋聚苯乙烯泡沫板可達(dá)到良好的保溫效果。

6 結(jié) 論

(1)通過midas FEA有限元軟件模擬第二層承臺的溫度場可知,球鉸及滑道的存在使得混凝土內(nèi)表溫差變大,因此在施工中根據(jù)監(jiān)測結(jié)果應(yīng)及時做好溫度控制措施,防止溫度裂縫的產(chǎn)生。

(2)混凝土澆筑工作完成后的85～91 h承臺各層溫度達(dá)到峰值,承臺內(nèi)部最高溫度為53.7 ℃,有限元得出在85 h內(nèi)部最高溫為59.5 ℃。表明通過midas FEA有限元軟件模擬承臺溫度場,可預(yù)測混凝土內(nèi)部的最高溫和發(fā)生時間。

(3)所采用的混凝土配合比,冷卻水管布設(shè)方案和溫度控制措施,可有效降低混凝土所產(chǎn)生的水化熱,降低內(nèi)表溫差,達(dá)到了預(yù)期的溫控目標(biāo),且現(xiàn)場經(jīng)檢測未發(fā)現(xiàn)溫度裂縫。