單索面斜拉橋承臺(tái)大體積混凝土水化熱分析

（重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 重慶 南岸區(qū) 400074）

單索面斜拉橋承臺(tái)大體積混凝土水化熱分析

張 奇

（重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 重慶 南岸區(qū) 400074）

本文以清遠(yuǎn)市在建單索面斜拉橋?yàn)橐劳校ㄟ^MIDAS/FEA對(duì)該橋主塔承臺(tái)大體積混凝土水化熱進(jìn)行水化熱仿真分析，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，掌握水化熱的發(fā)展規(guī)律，從而有效指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

超寬單索面；水化熱；仿真分析；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

1 工程概況

清遠(yuǎn)市某在建斜拉橋是城市主干道清暉路跨越北江的一座特大橋，工程范圍為江上橋梁段、兩邊引道接地端 ，采用一級(jí)公路兼城市主干道的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)行車速度60km/h,起訖樁號(hào)：K1+760.000～K3+632.262，總長(zhǎng)1872.262m（其中橋梁長(zhǎng)1512m,引道長(zhǎng)約360m），采用三級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)。主橋?yàn)?00+218+100m雙塔單索面斜拉橋，采用塔梁固結(jié)、墩梁分離的支承形式，主梁采用鋼箱梁與混凝土箱梁相結(jié)合的混合梁。主墩下設(shè)16根?2.2m嵌巖樁，樁基礎(chǔ)與橋墩之間通過17.5× 17.5×5m承臺(tái)連接。承臺(tái)混凝土標(biāo)號(hào)為C40。

2 承臺(tái)水化熱有限元分析

2.1 計(jì)算參數(shù)

由于施工現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)人員未做C40混凝土的熱物理性質(zhì)試驗(yàn)，數(shù)值模型參數(shù)依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)來進(jìn)行取值：C40混凝土的比熱容取0.993(kJ·(kg·K)-1)，熱傳導(dǎo)率取2.925(W·(m·k)-1)，對(duì)流系數(shù)取1193(kJ·(m·h·k)-1)，28d抗壓強(qiáng)度取40Mpa，20d彈性模量取3.25×107(kN·m-2)，混凝土抗壓強(qiáng)度系數(shù)取（a=4.5，b=0.95），熱膨脹系數(shù)為1×10-5，泊松比取0.2，水泥用量為410(kg·m)-3，環(huán)境溫度常量取25℃，冷凝管管徑為0.039m，冷凝管對(duì)流系數(shù)取1373(kJ·(m·h·k)-1)，冷凝管流量取1.2(m3·h-1)，最大絕熱溫升為58.1℃。

2.2 有限元模型

承臺(tái)尺寸為17.5×17.5×5m，采用MIDAS/FEA建立主墩承臺(tái)有限元模型。由于承臺(tái)結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，可取1/4結(jié)構(gòu)建立模型。考慮承臺(tái)高度過大高，為有效降低水化熱，施工方?jīng)Q定將承臺(tái)分兩次澆筑，每次澆筑高度為2.5m。模型按照實(shí)際施工方案，分兩個(gè)施工階段模擬澆筑過程。根據(jù)混凝土內(nèi)部溫度場(chǎng)布設(shè)冷卻水管，在單個(gè)承臺(tái)混凝土內(nèi)部，根據(jù)澆筑的厚度，先后共布置3層冷卻水管。該承臺(tái)有限元模型共有28052個(gè)節(jié)點(diǎn)，25088個(gè)單元。

2.3 模型結(jié)果分析

通過計(jì)算可知，承臺(tái)混凝土中心點(diǎn)處的水化熱溫度在澆筑的第42個(gè)小時(shí)達(dá)到最高，最高溫度為70.44℃。有結(jié)果可知，承臺(tái)初期水化熱溫度升高迅速，在達(dá)到最大值時(shí)溫度開始下降，下降速率放緩。承臺(tái)體心處溫度如圖1所示。

圖1

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

3.1 傳感器布置

溫度測(cè)點(diǎn)的布置按照突出重點(diǎn)、兼顧全局的原則，在滿足監(jiān)測(cè)要求的前提下，以適當(dāng)數(shù)量的測(cè)點(diǎn)獲得所需的全部監(jiān)測(cè)資料。

根據(jù)承臺(tái)的對(duì)稱性和溫度與應(yīng)力變化的一般規(guī)律，監(jiān)測(cè)時(shí)只考慮1/4結(jié)構(gòu)即可。本次承臺(tái)混凝土溫度監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)布置在承臺(tái)相互垂直的兩個(gè)中心斷面及對(duì)角斷面上的一側(cè)。每個(gè)主墩承臺(tái)的溫度測(cè)點(diǎn)分豎向兩層布置，分別布置于各次澆筑層的中心位置，每層19個(gè)，共38個(gè)，用來監(jiān)測(cè)每次混凝土澆筑時(shí)，承臺(tái)溫度在平面內(nèi)的變化情況及分布規(guī)律。由于靠近表面區(qū)域溫度梯度較大，因此測(cè)點(diǎn)布置較密。同時(shí)，為了測(cè)試澆筑層混凝土溫度的豎向變化和分布規(guī)律，在每個(gè)澆筑層的承臺(tái)軸線位置處從上至下增加布置4個(gè)溫度傳感器，共8個(gè)。考慮到關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)損壞的可能，在各澆筑層層高1/2處承臺(tái)軸線位置額外增加1個(gè)測(cè)點(diǎn)，共4個(gè)。

3.2 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

由監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，在混凝土溫度監(jiān)測(cè)期間，大氣溫度約為21.3℃～33.1℃。混凝土入模溫度約為27.2℃～28.2℃，基本滿足溫控標(biāo)準(zhǔn)≤28℃。冷卻水管進(jìn)水溫度約為24.9℃～25.4℃，出水溫度約為29.5℃～30.2℃，進(jìn)出水溫差約為4.1℃～5.3℃，處于溫控標(biāo)準(zhǔn)≤10℃范圍內(nèi)，冷卻水管通水降溫工作正常。除表面區(qū)域外，其他測(cè)點(diǎn)區(qū)域歷時(shí)40h左右均陸續(xù)達(dá)到溫度峰值，最高溫度為71.6℃，在溫控標(biāo)準(zhǔn)≤75℃范圍內(nèi)。而接近表面的測(cè)溫點(diǎn)區(qū)域由于受周圍環(huán)境水流和大氣溫度影響顯著，歷時(shí)20h左右即達(dá)到溫度峰值，最低溫度峰值為37.6℃。各測(cè)溫點(diǎn)均在快速升溫至溫度峰值后，隨之進(jìn)入緩慢降溫階段。各測(cè)溫點(diǎn)溫度峰值過后，平均降溫速率約為1.0℃/d，小于溫控標(biāo)準(zhǔn)≤2℃/d范圍，降溫平緩穩(wěn)定。

4 結(jié)論

通過模型結(jié)果與實(shí)際結(jié)果對(duì)比分析，模型中中心點(diǎn)最高溫度為70.44℃，實(shí)際工程中承臺(tái)中心點(diǎn)最高溫度為71.6℃，并且都是在混凝土澆筑完成后的40h左右溫度達(dá)到最高值，中心測(cè)點(diǎn)溫度曲線圖走勢(shì)基本吻合。說明水化熱建模分析對(duì)實(shí)際工程有一定的指導(dǎo)意義。在獲取實(shí)際工程的配合比以及混凝土的熱物理性質(zhì)等參數(shù)后，通過建立模型，對(duì)大體積混凝土進(jìn)行建模分析，通過事先的模擬分析，對(duì)存在隱患進(jìn)行有效的排除，再加上施工過程中從原材料選擇、配合比設(shè)計(jì)、混凝土拌合、運(yùn)輸、澆筑、振搗到通水、養(yǎng)護(hù)、保溫等方面采取積極的溫控措施，兩者相輔相成，從而避免了溫度裂縫的產(chǎn)生，保證了大橋工程質(zhì)量。

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1007-6344（2017）08-0321-01