大體積混凝土施工溫度監測及數值分析

王盼 王金歌

廣東理工學院建筑工程系 廣東 肇慶 526100

引言

隨著我國經濟建設步伐的加快，施工技術的飛速發展，大體積混凝土施工也得到了廣泛應用。由于大體積混凝土[1]自身的特殊性，在其施工和養護過程中依然存在著頗多問題。整體澆筑的大體積混凝土結構主要會產生因降溫而產生的溫度收縮和因水泥水化作用而產生的收縮兩種變形，這些變形在受到約束的條件下，將在結構表面及內部產生拉應力。當拉應力超過混凝土相應齡期的抗拉強度時，結構就開裂。近年來，計算機技術的快速發展使得本領域的一些問題得到了成功的分析與解決。本文在大體積混凝的溫控[2,3]過程中采用了有限元水化熱數值分析，并將理論計算值與現場溫度監測結果進行了對比分析，分析結果表明計算和實測溫度值吻合得較好，說明有限元數值模擬可以指導大體積混凝土現場的施工[4]與溫控。

1 某橋承臺大體積混凝土施工溫度監測

1.1 工程概況

該橋位于丹江口市涼水河鎮至習家店鎮交界處，跨越后河，區內地形高低起伏，溝谷深切，形體上呈“V”字形。主橋上部構造為（67+120+67）m三跨預應力混凝土連續剛構，主墩墩身采用雙肢等截面實心薄壁墩。承臺結構尺寸為12.4m×12.2m×4m，采用C30級泵送混凝土承臺混凝土一次澆筑成型，動用3臺混凝土罐裝車歷時75小時完成。

1.2 測點布置

承臺的溫度測點是按照重點突出、兼顧全局的原則選擇具有代表性的部位設置測點，監測混凝土在硬化過程中溫度的變化情況。根據承臺結構部位的對稱性和溫度變化的一般規律，在結構的1/4剖面上布置了兩種溫度傳感器。承臺溫度測點的布置形式如1圖所示，第一、三、四層為傳統的溫度傳感器，第二層為光纖溫度傳感器。頂層溫度測點布置混凝土表面以下在5cm處；底面溫度測點布置在混凝土底面以上5cm處。

1.3 測試設備

溫度測試主要采用傳統的溫度傳和光纖溫度傳感器，傳統的溫度傳感器與LTM8662溫濕度采集模塊連接測試，光纖溫度傳感器是利用光纖本身的敏感特性傳輸和散射光波處理為溫度實時信號顯示出來。現場布點和連接測試圖2所示。

1.4 溫度測試結果

承臺溫度監測時間為2014年4月4日6:45—4月9日14:45，歷時128小時，當混凝土澆筑高度超過冷卻水管20cm時即開始通水，截止到2014年4月15號停止通水。施工開始立即進行溫度監測，每間隔2小時監測一次，于第128小時停止監測，最終存活的溫度傳感器分布如圖1所示，溫度測試結果如圖3所示。

圖3 承臺內部溫度時程曲線

據圖3可知，溫度隨時間整體呈先上升后下降趨勢，上升速率較快，達到最大值之后降溫比較緩慢。最大溫度（第三層3#測點）出現在混凝土澆完后的第三天，最大值為58.1℃，分析主要原因是由于入模溫度較高和散熱緩慢引起的。由圖可算出中心混凝土（16#、5#、6#、7#、3#、19#、4#測點）的升溫速度為0.6～0.8℃/h，降溫速度為0.8～2.5℃/d；混凝土表面（8#、15#、19#、12#、4#測點）降溫速度為1～4℃/d，其中第三天第四天降溫較快，降溫速度符合規范溫控指標要求。在圖中還可以看出溫度在下降過程中會有小幅度的上升趨勢，由于新混凝土的水化作用，澆筑新一層混凝土后下部混凝土溫度會有回升現象，這種升溫對混凝土內部溫度影響不大，而對澆筑當層表面的溫度影響較大，從而減小了溫差，有利于大體積混凝土的防裂。底部混凝土（13#、1#、9#、16#測點）升溫和降溫較緩慢，由于底部混凝土與基礎相連開始升溫時有熱量傳遞到基礎，降溫時有澆筑新的混凝土覆蓋使熱量難以散出去。第二、三層溫度普遍比第一、四層要高，因為散熱較為緩慢，整個澆筑過程最高溫一般出現在中間層。模板附近混凝土（13#、9#、10#、14#、11#、18#、8#、12#測點）溫度起伏比較明顯，是氣溫變化造成，最表層（8#、15#、19#、4#、12#測點）受氣溫影響最大。從拆模情況看，承臺表面未發現明顯裂紋。

2 溫度場和應力場的仿真分析

2.1 計算程序簡介及參數設置

溫控計算采用有限元橋梁專用程序Midas/Civil[5]的水化熱計算模塊進行，該程序可以對施工期大體積混凝土的溫度場及應力場進行仿真模擬分析，通過計算結果能較為準確地模擬大體積承臺混凝土內部溫度變化情況，可以指導大體積混凝土現場的施工與溫控。混凝土相關參數如表1所示，有限元模擬分析重要參數如表2所示。

表1 混凝土相關參數

表2 有限元模擬分析重要參數

有限元模擬參數相關計算如下所示。

式中，T0為混凝土的出倉溫度；Ti為混凝土澆筑溫度；Ti′為混凝土運輸、泵送、澆筑時段溫度補償值，取1℃；c為混凝土比熱；λ為混凝土導熱系數；T為水化熱產生的混凝土最高絕熱溫升，Q為水泥的水化熱量，本橋承臺均選用普通C30水泥，參考水泥的水化熱標準數值Q定為450kJ/kg，W為每立方米混凝土的水泥用量，取270kg/m3，ρ為混凝土的質量密度，取2308kg/m3，m為與水泥品種、澆筑溫度等有關的系數根據規范，m的取值如表3所示，在出倉溫度取10.5℃時，由直線內插法可算出m取值為0.325。

表3 m的取值

2.2 計算結果

為了使本次模擬過程更接近實際情況和便于計算分析，綜合考慮該承臺的施工方案、材料性質、形狀尺寸等多種因素，有限元建模模型如圖4所示，管冷布置模型如圖5所示。

圖4 有限元計算模型

圖5 單層管冷布置模型

最大主拉應力[6]一般出現在每層中心處，故取每層中心最大溫度計算結果如圖6所示。

圖6 各層最大溫度時程曲線

從計算結果來看，在前96小時溫度隨時間迅速升高，最高溫度為55.5℃。升溫過程分為兩個階段，前36小時溫度上升較快，大約0.7℃/h；在36～96小時升溫較慢，約為0.2℃/h。當中心層混凝土達到最高溫度后，開始緩慢降溫，降溫速度約為0.6℃/d，最后趨于穩定。

由于混凝土大約在第三天出現最高溫度，為了了解每層溫度變化情況，取計算結果中每層達到最大溫度時（第96小時）的溫度等值線圖，如圖7所示。

圖7 各層最大溫度等值線圖

由圖7可知，驗證了各層最大溫度出現在混凝土中心處的事實，并且冷水管起到了很好的降溫作用。在溫度達到最大時，各層中心溫度與模板邊緣溫度如表4所示。

表4 各層中心溫度與模板溫度對照表

由表4可看出，混凝土中心和模板邊緣的最大溫度都出現在第二層和第三層，并且每層中心和邊緣溫差不超過25℃，符合《公路橋涵施工技術規范》中大體積混凝土內表溫差不超過25℃的規定。

當混凝土內部拉應力超過相應齡期的抗拉強度時，結構就開裂[7]，因此有必要對該結構內部應力與容許進行對比分析，對比結果如圖8所示。

圖8 溫度應力與容許應力對比圖

由圖8可知，容許應力會隨著溫度的變化而變化，最后隨著時間的增加而趨于穩定，實際模擬結果各層最大拉應力均未超過容許應力，因此可以認為混凝土結構不會開裂，且該橋承臺拆模未發現裂縫。

2.3 計算結果與實測結果對比分析

為了了解有限元計算結果與實測結果的吻合程度，現分別取24h、48h、72h、96h、120h、144h時刻，將每層中心最大溫度、靠近模板三等分點溫度、模板邊緣溫度計算值與實測值進行對比，有限元模擬計算值與實測值對比圖如圖8所示。

圖9 有限元模擬計算值與實測值對比圖

據圖9可知，計算值大于實測值，出現最大溫度時間上均在混凝土澆筑第三天以后，模擬和實測溫度值的變化趨勢基本一致，說明有限元計算能較好地計算出大體積混凝土內部溫度的變化趨勢，可以指導大體積混凝土現場的施工與溫控。

3 結束語

（1）通過對該橋大體積混凝土承臺的監控，掌握其溫度變化規律，且橋大體積混凝土承臺沒有出現溫度裂縫，溫控效果良好。

（2）通過有限元計算與實測值對比分析，有限元數值模擬能較為準確地模擬大體積承臺混凝土內部溫度變化情況，可以指導大體積混凝土現場的施工與溫控，為今后同類工程提供了有用的試驗數據，也為今后開展深入理論研究提供了參考依據。