橋梁承臺(tái)大體積混凝土施工的水化熱控制

陳青華，時(shí)建云

（1.阜陽(yáng)市重點(diǎn)工程建設(shè)管理局，安徽 阜陽(yáng) 236000；2.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009）

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橋梁承臺(tái)大體積混凝土施工的水化熱控制

陳青華1，時(shí)建云2

（1.阜陽(yáng)市重點(diǎn)工程建設(shè)管理局，安徽 阜陽(yáng) 236000；2.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009）

利用大型結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件MIDAS/Civil，對(duì)阜陽(yáng)市東環(huán)路潁河大橋承臺(tái)混凝土施工過(guò)程進(jìn)行建模，計(jì)算并預(yù)測(cè)混凝土澆筑后不同時(shí)間階段的水化熱溫度。通過(guò)建模分析并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析比較通過(guò)布置冷水管對(duì)溫度控制的影響作用，得出了一些有益結(jié)論。對(duì)具體施工方案和監(jiān)控方案作了一些簡(jiǎn)要說(shuō)明。

大體積混凝土；冷水管；水化熱；MIDAS/Civil

1　工程概況

阜陽(yáng)市東環(huán)路潁河大橋及接線工程位于阜陽(yáng)市東郊。主橋主墩位于潁河水中，設(shè)計(jì)承臺(tái)尺寸為（長(zhǎng)）34m×（寬）14m×（高）5m，混凝土強(qiáng)度為C30等級(jí)，單個(gè)承臺(tái)混凝土方量為2380m3，屬于大體積混凝土。

2　承臺(tái)施工方案

由于混凝土方量比較大，故分兩次澆筑：第一次澆筑高度為3m，方量為1428m3；第二次澆筑高度2m，方量為952m3。

2.1混凝土配合比設(shè)計(jì)

選用減水劑，普通硅酸鹽P.042.5級(jí)水泥，采用鳳臺(tái)產(chǎn)地5～31.5mm碎石，平均粒徑大于0.5mm淮濱產(chǎn)中砂，水泥用量按施工方的配比取為310kg/m3。具體混凝土配合比如下：

水泥∶水∶砂∶碎石∶摻合料∶外加劑=310∶180∶761∶1094∶54.8∶7.66。

2.2冷卻水管的布置

冷卻水管采用直徑32mm黑鐵管，豎向分4層布置，水平向按蛇形布置，冷卻水管豎向間距為1m，水平間距為1m，距承臺(tái)混凝土邊緣約為0.5m，每層設(shè)豎向進(jìn)水管出水管各1個(gè)。

3　承臺(tái)水化熱有限元分析

3.1MIDAS/Civil模型

采用結(jié)構(gòu)分析軟件MIDAS建立了主墩承臺(tái)的水化熱分析有限元模型。該計(jì)算能夠模擬承臺(tái)混凝土的整個(gè)澆筑及養(yǎng)護(hù)過(guò)程，考慮了混凝土的澆筑溫度、混凝土水化熱的散發(fā)規(guī)律、養(yǎng)護(hù)方式、冷卻水管降溫、外界氣溫變化、混凝土彈模變化、混凝土徐變等復(fù)雜因素。

由于模型具有對(duì)稱性，這里只取1/4模型進(jìn)行建模和分析。單元采用實(shí)體單元，單元總數(shù)為11186，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為13258。模型按分兩層澆筑進(jìn)行分析，第一層高度3m，第二層高度2m，施工間隔期為10d。計(jì)算時(shí)，承臺(tái)頂面及四周為第三類邊界條件；考慮混凝土收縮徐變對(duì)混凝土應(yīng)力的影響，三維模型如圖1所示。

圖1　1/4鏡像結(jié)構(gòu)有限元模型

3.2模型相關(guān)計(jì)算參數(shù)

根據(jù)相關(guān)技術(shù)資料，計(jì)算了混凝土的熱學(xué)性能指標(biāo)，包括導(dǎo)熱系數(shù)和比熱。采用復(fù)合指數(shù)式水化熱計(jì)算方法，估算混凝土最大絕熱溫升為45℃。根據(jù)施工方案，承臺(tái)混凝土四周采用磚模板，覆蓋4cm草席。計(jì)算時(shí)，相關(guān)材料的導(dǎo)熱系數(shù)為：草席，2.605 kcal/m2·hr·t；混凝土熱傳導(dǎo)率，2.3kcal/m·hr·t；混凝土比熱為0.25kcal·g/kg·t。模型環(huán)境溫度取為固定值15℃。冷卻水管內(nèi)徑32mm，水流速度取1.5m3/h，進(jìn)水口溫度為15℃，水管通水計(jì)算時(shí)間為168h。根據(jù)以往施工控制資料和本項(xiàng)目具體情況，計(jì)算分析時(shí)混凝土的澆筑溫度Tp取為25℃。

3.3水化熱分析結(jié)果

在MIDAS/Civil中水化熱分析大致分為由混凝土水化過(guò)程中引起的溫度分布分析和溫度、齡期引起的彈性模量的變化、徐變及收縮時(shí)的應(yīng)力分析等。由于混凝土內(nèi)部溫度不同，導(dǎo)致體積變化不均勻而發(fā)生的內(nèi)部約束是產(chǎn)生溫度應(yīng)力的主要原因。同時(shí)由于水化反應(yīng)使混凝土的溫度達(dá)到最大之后會(huì)漸漸降溫。降溫到一定程度時(shí)，內(nèi)部的體積收縮大于外表面的體積收縮，導(dǎo)致外表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力。

節(jié)點(diǎn)溫度峰值出現(xiàn)在第二階段澆筑后的第120h，溫度峰值為43.91℃。

圖2　承臺(tái)澆筑出現(xiàn)最高溫度時(shí)刻1/4模型溫度云圖

溫度峰值節(jié)點(diǎn)（X=23.0m、Y=6.0m、Z=7.0m）的溫度歷程圖如圖3所示。

圖3　最高溫度節(jié)點(diǎn)的溫度歷程圖

其它幾個(gè)內(nèi)部溫度較高點(diǎn)與對(duì)應(yīng)表面較低點(diǎn)的溫度歷程如圖4所示。

圖4　幾個(gè)最高溫度點(diǎn)與表面最低點(diǎn)的溫度歷程圖

分析可知，承臺(tái)混凝土內(nèi)外溫差基本都可控制在25℃以內(nèi)。

第二施工階段澆筑后第30d節(jié)點(diǎn)的主拉應(yīng)力也達(dá)到最大值，該值為2.44MPa，此時(shí)的應(yīng)力云圖如圖5。

圖5　出現(xiàn)最高應(yīng)力時(shí)刻應(yīng)力云圖

最大主拉應(yīng)力節(jié)點(diǎn)應(yīng)力歷程如圖6所示。

圖6　應(yīng)力峰值節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力歷程圖

分析表明混凝土最大主拉應(yīng)力并未超過(guò)容許主拉應(yīng)力，不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部裂縫。

4　水化熱溫度現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況

4.1監(jiān)測(cè)方案

如圖7所示，每個(gè)承臺(tái)各布測(cè)溫點(diǎn)8個(gè)，分別測(cè)試混凝土表面溫度與內(nèi)部溫度。根據(jù)計(jì)算和監(jiān)控經(jīng)驗(yàn)，大體積混凝土的溫差變化在前2～3d內(nèi)波動(dòng)最大，因此在這段時(shí)間進(jìn)行不間斷測(cè)量，測(cè)試頻率為6h/次，檢查混凝土的內(nèi)外溫差是否在容許溫差25℃以內(nèi)。后期適當(dāng)延長(zhǎng)測(cè)溫間隔。環(huán)境溫度用普通溫度計(jì)量測(cè)，承臺(tái)外表溫度用擱置在表面的JMT-36c溫度傳感器（放置5～10min穩(wěn)定后）量測(cè)。

圖7　測(cè)點(diǎn)布置示意圖

4.2監(jiān)控點(diǎn)實(shí)測(cè)溫度與理論溫度變化曲線

第一次澆筑3m，取1、2、3測(cè)點(diǎn)的平均溫度代表混凝土表面溫度，測(cè)點(diǎn)4溫度表示中心點(diǎn)溫度。繪制表面實(shí)測(cè)溫度和理論溫度隨時(shí)間變化曲線，結(jié)果見(jiàn)圖8。圖9反映中心點(diǎn)實(shí)測(cè)溫度和理論溫度隨時(shí)間變化曲線。

圖8　第一層澆筑后中心溫度實(shí)測(cè)值和理論值隨時(shí)間變化曲線

圖9　第一層澆筑后表面溫度實(shí)測(cè)值和理論值隨時(shí)間變化曲線

從圖8、圖9和圖10可以看出，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)的發(fā)展規(guī)律一致，實(shí)測(cè)值偏大的愿意在于冷卻水管有堵管現(xiàn)象，水流不足。

圖10　第二層澆筑后表面及中心溫度實(shí)測(cè)值和理論值隨時(shí)間變化曲線

第二次澆筑2m，取測(cè)點(diǎn)5、6、7點(diǎn)的平均溫度代表第二層混凝土表面溫度。測(cè)點(diǎn)8表示第二層混凝土核心溫度。本層冷卻水管流量穩(wěn)定，冷卻效果要好的多，見(jiàn)圖10和圖11。

圖11　第二層澆筑后表面及中心溫度實(shí)測(cè)值和理論值隨時(shí)間變化曲線

5　結(jié)論

通過(guò)本實(shí)例可以看出，在大體積混凝土施工過(guò)程中，合理布置冷水管，可以有效地降低混凝土的水化熱作用。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果說(shuō)明了理論分析可信，表明利用有限元軟件MIDAS/Civil進(jìn)行大體積混凝土水化熱分析是可行的。在計(jì)算模擬的基礎(chǔ)上，進(jìn)行有效的監(jiān)控和采取相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)措施，可以避免混凝土因水化熱作用而引起的裂縫。

[1]橋梁工程軟件midasCivil使用指南[M].北京：人民交通出版社，2013.

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U443.25

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1007-7359(2016)03-0162-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.03.059

陳青華（1978-），男，安徽阜陽(yáng)人，畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)，本科，工程師。