冬季大體積承臺溫度控制與仿真分析

田仲初，寧琛，馬連楓，鐘忠，許斌林

（1.長沙理工大學 土木工程學院，湖南 長沙 410114；2.中交第一公路工程局有限公司，北京市 100024）

0 引言

在中國已建成及在建的高速公路橋梁中，連續(xù)剛構(gòu)橋的數(shù)量比重非常大，常用高墩以弱化墩的剛度，從而減小梁收縮對墩產(chǎn)生的次內(nèi)力。墩身有著較高的高度，而混凝土重度較大，所以產(chǎn)生的自重較大，因此墩臺基礎(chǔ)施工是此類橋梁的重點關(guān)注工序。在連續(xù)剛構(gòu)橋中，大部分設(shè)計都是以樁基礎(chǔ)配合承臺，承臺作為樁基礎(chǔ)和橋墩的連接構(gòu)件，其混凝土用量大，起著“承上啟下”的作用。在承臺施工過程中，水泥凝結(jié)和硬化會釋放大量水化熱，且混凝土導(dǎo)熱性差，內(nèi)部水化熱不易傳導(dǎo)至外部，但表面熱量散發(fā)較快，則會導(dǎo)致溫度梯度的出現(xiàn)，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度應(yīng)力，引起開裂，降低耐久性。對于承臺水化熱問題，中國許多學者分析了最高溫度，溫度梯度，最大應(yīng)力，以保證承臺整體的質(zhì)量，但對冷卻水管附近的局部應(yīng)力研究較少。冬季施工的承臺因氣溫低，表面熱量散失得更快，更易產(chǎn)生表面開裂。承臺深層裂縫的產(chǎn)生可能來自冷卻管周圍自約束效應(yīng)，多產(chǎn)生于升溫期，由于水冷帶走熱量，導(dǎo)致管壁周圍混凝土產(chǎn)生過大收縮，內(nèi)部混凝土約束其變形，引起沿管壁的開裂［1］。鑒于此類問題，因此施工前要進行承臺大體積混凝土水化熱分析，冬季施工中不僅要對整體的水化熱進行控制與監(jiān)測，還應(yīng)在冷卻管局部布置測點，同時更要注意表面的養(yǎng)護和內(nèi)部的降溫。該文針對此類問題進行研究。

1 工程概述

橋址區(qū)位于余慶縣龍溪鎮(zhèn)跨越小烏江，橋梁與小烏江呈大角度斜交，走向約163°。小烏江走向整體呈南西至東北向。主橋跨徑組成為（70+130+130+70）m，采用二次拋物線變截面箱梁，為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋。右幅橋4#～6#橋墩、左幅橋6#～8#橋墩為主橋橋墩，采用等截面矩形實體雙肢薄壁墩，在其底部設(shè)有V 形開口的加勁板，肢間縱向凈間距為5 m，單肢矩形截面尺寸為9 m×2.5 m。左、右幅主橋都采用分離式承臺，樁徑為2.0 m 的鉆孔灌注樁作為基礎(chǔ)，樁基排列為橫向3 排、縱向3 排，每個承臺下方共計9 根摩擦樁。承臺長寬均為12.2 m，高4.5 m，混凝土用量為669.78 m3，采用C30 混凝土依次澆筑所有承臺。

2 承臺溫度控制措施和指標

2.1 溫度控制措施

承臺頂部混凝土暴露于空氣中，且此處風速較大，為避免冬季氣溫較低可能引發(fā)的頂面混凝土開裂現(xiàn)象，采用工程布墊于承臺頂面作為第一層，再用棉被覆蓋在其上方，互相搭接，使敞露的承臺表面覆蓋嚴密，營造良好的保溫養(yǎng)護環(huán)境，同時保持工程布內(nèi)有凝結(jié)水。避免模板拆除時溫度驟降引起溫度裂縫，提前準備好棉被和彩條布用以即時養(yǎng)護。

在內(nèi)部布置冷卻水管，直徑為35 mm，豎向每層的間距為1.25 m，采用循環(huán)水，控制進水溫度，水箱直徑1.5 m，高2 m。在低水位布置水箱，即水箱位置低于冷卻管高度，進出水口利用接頭連接軟管，減少水循環(huán)時水的損失。用小功率的水泵將水箱中的水壓入進水口，出水口通過水位差的壓力加速循環(huán)。水經(jīng)過承臺內(nèi)部吸收熱量后將熱量帶入水箱，從而緩慢提高水箱溫度，進而提高進水口溫度。防止冬季水溫過冷，水冷帶走大量熱量，導(dǎo)致管壁周圍混凝土產(chǎn)生過大收縮，內(nèi)部混凝土約束其變形，引起的沿管壁開裂［2］。

2.2 溫度控制指標

通過初步溫度控制理論分析，結(jié)合相關(guān)規(guī)范［3］和文獻［4-8］，制定適應(yīng)本承臺施工的溫度控制標準：①承臺最高溫度≤60 ℃；②承臺里表溫差≤25 ℃；③承臺降溫速率≤22.0 ℃/d；④控制入水口溫度≤30 ℃，進出水管的溫差≤12 ℃。

3 模型建立

3.1 計算參數(shù)的選取

因為外業(yè)現(xiàn)場試驗條件受限，未進行混凝土相關(guān)熱參數(shù)的試驗，依據(jù)大體積混凝土水化熱方案計算單與熱工參數(shù)手冊及相關(guān)文獻選取有限元仿真模型參數(shù)［9-13］。本次承臺C30 混凝土的比熱取9 506 J/（kg · ℃），熱膨脹系數(shù)取1.0×10-5/℃，傳導(dǎo)率取2.8 W/（m · ℃），泊松比為0.2，暴露表面對流系數(shù)取13.955 6 W/（m2·℃），數(shù)值分析時采用Kim 等［14］提出的線單元解耦算法進行模擬，用線單元建立冷卻管，通過共同節(jié)點來實現(xiàn)水管與承臺混凝土的熱交換。恒溫地基溫度取8 ℃，并考慮其具有比熱和熱傳導(dǎo)性，可以反映承臺與地基的水化熱傳遞過程。根據(jù)實際測量值設(shè)置環(huán)境溫度函數(shù)。冷卻水管直徑35 mm，流量0.871 m3/h，冷卻水對流系數(shù)取371.667 W/（m2· ℃），混凝土入模溫度取11.5 ℃。承臺混凝土理論材料用量及配合比見表1。

表1 主墩承臺材料用量 kg/m3

由表1 可知其配合比為：水泥∶砂∶碎石∶水∶外加劑=1∶2.716∶3.323∶0.518∶0.012。

3.2 有限元模型的建立

由于本承臺冷卻水循環(huán)方向非對稱，為準確進行計算分析，針對承臺與地基建立整體模型，尺寸為12.2 m×12.2 m×4.5 m。承臺模型采用Midas/Fea中的8 節(jié)點實體單元建模，全承臺水化熱模型節(jié)點共108 819 個，單元共105 516 個，在冷卻管附近對網(wǎng)格進行了加密，便于提取冷卻管附近的應(yīng)力值。地基忽略樁基礎(chǔ)對承臺的影響，地基底面與四周采用一般約束。承臺混凝土有限元模型圖及冷卻管布置圖如圖3、4 所示。

圖3 有限元模型圖

圖4 冷卻水管布置圖

3.3 計算結(jié)果

通過降低入水溫度對降低混凝土內(nèi)部溫度作用有限，但入水溫度過低會導(dǎo)致混凝土內(nèi)部冷卻水管周圍形成較大溫差，從而使應(yīng)力增加［13］。冬季水溫較低，但循環(huán)水會不斷提高水溫，所以對可能出現(xiàn)的水溫情況進行分析，針對性地研究5 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃和30 ℃6 種不同入水溫度情況，提取其對應(yīng)的內(nèi)部最高溫度和冷卻水管附近應(yīng)力。結(jié)果如圖5、6 所示。

圖5 承臺冷卻水管附近應(yīng)力時程曲線

圖6 承臺內(nèi)部最高溫度時程曲線

由圖5、6 可知：

（1）入水溫度為5 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃和30 ℃時，承臺內(nèi)部最高溫度分別為52.81 ℃、53.55 ℃、54.32 ℃、55.14 ℃、55.99 ℃和56.90 ℃，溫度每降低5 ℃，最高溫度降低的百分比為1.38%、1.42%、1.49%、1.52%和1.60%。對應(yīng)的冷卻水管附近混凝土最大拉應(yīng)力分別為2.74 MPa、2.61 MPa、2.50 MPa、2.41 MPa、2.33 MPa 和2.27 MPa，溫度每降低5 ℃，最大拉應(yīng)力提升的百分比為2.64%、3.43%、3.73%、4.40%和4.98%，反映降低入水溫度對混凝土內(nèi)部的降溫作用有限，但對拉應(yīng)力的提升明顯，為了防止承臺沿著管壁開裂出現(xiàn)深層裂縫，建議冬季承臺施工時冷卻水管入水溫度不應(yīng)低于5 ℃。

（2）過低的入水溫度不僅會對最大拉應(yīng)力造成影響，還會影響到一開始的冷卻管附近混凝土的初始應(yīng)力。同時，過高的溫度也會造成冷卻管附近混凝土的初始拉應(yīng)力較大，其原因可能是混凝土入模溫度相比于冷卻水溫度較低，形成的反向溫差導(dǎo)致拉應(yīng)力的產(chǎn)生，在25 ℃以上較為明顯，所以冬季大體積混凝土施工時入水溫度應(yīng)保持為10～25 ℃為宜。

4 溫度場的監(jiān)測

4.1 傳感器的布置

為了準確監(jiān)控混凝土內(nèi)部溫度場的改變量，從而對混凝土的養(yǎng)護起反饋指導(dǎo)作用，務(wù)必在承臺混凝土內(nèi)布設(shè)合理的測溫元件進行測溫采樣。根據(jù)初步理論模型的計算結(jié)果，為了更真實地反映混凝土內(nèi)部的溫度場，在右幅6#承臺的1/4 結(jié)構(gòu)中埋置溫度傳感器，在每層的中心點，距離中心點沿順橋向方向302.5 cm、605 cm 處以及距離中心點沿橫橋向302.5 cm、605 cm 各1 個，共5 個；由縱向開始，對同一層的橫向傳感器分別編號為1、2、3、4 和5 號；距承臺底部每5 cm、115 cm、225 cm、335 cm、445 cm、各一層，共5 層，從上至下分別為A、B、C、D 和E 層，總共25 個測點。兼顧底面、中心和頂面，以應(yīng)對冬季氣溫溫度驟降等不利工況產(chǎn)生。測點具體布置如圖7、8 所示。

圖7 測點布置俯視圖（單位：cm）

圖8 測點布置側(cè)視圖（單位：cm）

為了防止傳感器線路被混凝土澆筑時打斷和振搗時的撞擊損壞，將豎向埋置的溫度傳感器固定在鋼筋上，將線沿著鋼筋從上方伸出。

4.2 測試方法

從混凝土結(jié)構(gòu)澆筑開始至混凝土結(jié)構(gòu)澆筑施工完成后14 d 都應(yīng)是承臺澆筑監(jiān)測的工作時間，依據(jù)養(yǎng)護期間混凝土的溫度測量數(shù)據(jù)采取對應(yīng)的采樣頻率。目前的資料與文獻表明，大部分大體積混凝土水化熱的釋放是在澆筑完成后的72 h 內(nèi)完成，所以在承臺澆筑完成后的72 h 內(nèi)采取高頻率測試采樣，從初凝開始每間隔2～3 h 進行一次溫度采樣，避免錯過峰值溫度；當承臺達到峰值溫度后每間隔4～5 h 采樣一次；承臺溫度下降斜率較為平緩后，每間隔8～12 h 采樣一次，環(huán)境溫度的測量至少應(yīng)保證中午與晚上各一次。在14 d 之后，待承臺附近環(huán)境溫度與承臺內(nèi)部溫度差值小于25 ℃時停止溫度監(jiān)測。監(jiān)測工作需要記錄的數(shù)據(jù)包含承臺混凝土內(nèi)部溫度傳感器的溫度值、冷卻管入出水口的溫度值、環(huán)境溫度值、混凝土表面溫度值。

4.3 溫度場監(jiān)測結(jié)果分析

混凝土澆筑完成后，承臺頂部混凝土稍微硬化，即初凝后，開始進行溫度采樣。經(jīng)過高頻率的監(jiān)測，獲得了許多數(shù)據(jù)，限于篇幅，選擇具有代表性（溫度峰值出現(xiàn)的地方）的D 層和2 號處，分析其溫度監(jiān)測結(jié)果及內(nèi)表溫差，坐標“0”點代表澆筑完成的時間。監(jiān)測結(jié)果如圖9～12 所示。

圖9 D 層橫向測點溫度曲線

由圖9、11 可知：承臺混凝土內(nèi)部實測最高溫度為52.9 ℃，未超過溫度容許值60 ℃，總體上符合承臺內(nèi)部混凝土溫度的變化趨勢。D1、D5 和E2 溫度普遍較低，說明承臺表面水化熱容易受到外界環(huán)境熱交換的影響；由圖10、12 可知：橫向溫度內(nèi)部測點溫差較小，而豎向溫差較為均勻，在連續(xù)剛構(gòu)橋承臺尺寸中，長和寬一般都大于高墩，進一步說明承臺橫向散熱慢，豎向散熱良好，在冬季承臺施工中，即使鋼模板沒有拆除，也應(yīng)在承臺四周表面采取必要的保溫養(yǎng)護措施。

圖10 D 層橫向測點溫差曲線

圖11 2 號豎向測點溫度曲線

圖12 2 號豎向測點溫差曲線

4.4 計算與監(jiān)測結(jié)果對比

根據(jù)進水箱水溫測量結(jié)果，采用3 次拋物線擬合，算出均值為25.46 ℃，遂采用25 ℃入水溫度模型計算理論值與實測值進行對比，用以驗證。結(jié)果如圖13 所示。

圖13 最高溫度理論值與計算值比較

由圖13 可知：實測最高溫度在澆筑完成108 h 左右出現(xiàn)，為52.7 ℃，而仿真計算模型也在澆筑完成108 h 左右出現(xiàn)最高溫度56.0 ℃，承臺峰值溫度實測值比計算值低3.3 ℃，相差5.9%。前半段（上升段）的差異主要是因為入模溫度的測量組數(shù)較少，未能準確地反映混凝土的入模溫度，最高點及后半段的差異主要是因為水溫的上升導(dǎo)致內(nèi)部散熱能力的減弱以及模型的絕熱溫升值考慮稍微保守。若能在計算軟件中引入變化的冷卻水溫輸入功能，最終復(fù)核的仿真計算結(jié)果將更為準確。

5 結(jié)論

利用有限元仿真計算軟件Midas/Fea 建立小烏江大橋承臺的仿真模型，對不同水溫情況下的最高溫度和冷卻管附近拉應(yīng)力進行了監(jiān)測分析，制定了相應(yīng)提高入水溫度的措施，通過高頻率溫度監(jiān)測采樣數(shù)據(jù)與仿真計算值比對分析，得出以下結(jié)論：

（1）降低冷卻管入水溫度能降低混凝土內(nèi)部最高溫度，但不如冷卻水管附近拉應(yīng)力峰值的增長幅度大，說明降低入水溫度對混凝土內(nèi)部降溫作用有限，冬季承臺施工，冷卻水溫應(yīng)高于5 ℃。

（2）較高或較低的入水溫度均能對承臺澆筑初期造成一個小的拉應(yīng)力峰值，隨后迅速降低。

（3）承臺內(nèi)部最高位溫度在澆筑后4～5 d 達到最大值52.7 ℃。溫降速率遠小于溫升速率，混凝土水化熱熱量釋放時間相對集中在前3～4 d。實測溫度場的變化走向與仿真計算結(jié)果契合良好，表明仿真模型能較準確地模擬整個承臺水化放熱過程，實測混凝土的里表溫差、進出水溫度等各項溫控指標滿足相關(guān)規(guī)范要求。

（4）大橋承臺峰值溫度實測值與仿真模型計算值基本吻合。說明線單元建立冷卻管，板式構(gòu)造模擬地基是可行的，采用的熱力學參數(shù)和邊界條件能較好地符合現(xiàn)場實際情況。

（5）建議在冬季澆筑承臺混凝土時，應(yīng)在5 d 左右拆除模板，并對四周采取保溫措施；對冷卻水溫度進行高頻率監(jiān)控確保水溫不超過理論閾值，可采用循環(huán)水箱提高溫度；在冬季承臺水化熱監(jiān)控時，應(yīng)在冷卻管附近混凝土中增設(shè)應(yīng)力傳感器進行應(yīng)力監(jiān)測，以防止深層裂縫的出現(xiàn)。