蓮花大道景觀橋大體積混凝土溫度控制研究

林緒綿

(湖北工業大學土木建筑與環境學院,武漢 430068)

眾多橋梁施工中會出現大方量的混凝土澆筑情況，而大體積混凝土澆筑時，會釋放大量水化熱[1]，在混凝土的內部積聚相當大的熱量，導致混凝土內部溫度在短時間里快速攀升，這將導致混凝土出現較大的溫度梯度。此時再加上外部的約束以及周圍混凝土的作用，身處受拉區的混凝土容易因受到較大的拉應力而最終開裂破壞。

Wilson E L教授在溫度場計算中引入了時程分析的方法，開發出了一款二維有限元仿真程序DOT-DICE，實現了分期施工溫度場的模擬，并用該程序計算了Dworshak壩的溫度場[2]。朱伯芳院士、潘家錚院士等人即對大體積混凝土的溫度場進行了系統研究，完成了有關溫度控制和設計的整套理論[3,4]。唐際宇等[5]運用ANSYS對大體積混凝土也進行了研究，并給出了相應的混凝土水化熱控制措施。胡興等[6]也對大體積混凝土早期裂縫產生做出了分析研究，但沒有進行有限元模擬。

該文將基于MIDAS/Civil有限元分析軟件，對蓮花大道景觀橋的中橫梁大體積混凝土施工進行溫度場的計算，并將之與實測數據進行對比，得出該有限元數值模擬在混凝土溫度監控中的合理性。

1 有限元分析

1)工程概況

蓮花大道跨二級渠景觀橋主梁橫梁采用C50 混凝土，中橫梁(截面如圖1)規格尺寸為12.8 m2×40.5 m，單體體積518.4 m3。施工過程采用一次性澆筑。

其混凝土配合比參數見表1。

表1 C50混凝土配合比 kg/m3

2)有限元仿真過程

建立中橫梁來模擬混凝土的熱量的傳遞。計算采用實體單元模型，劃分網格時，應對中橫梁表面與相應冷管布置位置進行加密，具體劃分情況見圖2，共劃分成24 721個節點，19 600個單元。

該模型中定義水化熱分析控制數據中的積分系數(時間離散系數)為0.5，初始溫度即整個結構發生水化熱反應之前的溫度設定為30 ℃，定義迭代次數為20，收斂誤差0.01。

由于橫梁的施工時間為夏季，根據湘潭市歷時均溫，定義環境日平均溫度為32 ℃，并假定環境溫度呈正弦曲線變化，變化幅度為4.0 ℃，環境溫度函數變化情況見圖3。

橫梁厚度達到了3 m，內部熱量難以散失，必須在混凝土內部設置冷卻水管，建模時根據實際情況定義冷管的位置、水管直徑、水流量和水溫等，相關數據見表2，對流系數近似由計算公式Hp=4.75v+43.0 (kcal/m2·h·℃)得出。冷管模型見圖4。

表2 水冷管參數表

3)有限元計算結果

由于橫梁施工為一次澆筑，建模當作一個施工階段進行模擬，激活對應的邊界條件和冷管等條件，模型取前10 d的數據進行分析，前5 d每5 h生成一步驟，后5 d每10 h生成一步驟。計算結果見圖5。

由以上計算結果得出，橫梁大體積混凝土澆筑完成初期溫度升高速率穩步，5 d之后達到近64 ℃，在5 d的時候便達到了峰值溫度。橫梁表面溫度較低，散熱速度快，混凝土內部熱量難以釋放，必須依靠冷卻水管作用將熱量帶出，可看出冷管周圍的混凝土溫度較低。由于模型中定義冷管水流一直不變，使得計算結果中混凝土的降溫速率正常，在規范規定的2 ℃/d以內。由溫度場分布情況還可發現，橫梁下部靠近C30 混凝土承臺部分熱量較難釋放，隨著澆筑時間的增加,混凝土高溫部位逐漸往下部移動,控制固體接觸面溫度變化情況也是大體積混凝土溫度控制的關鍵。

2 實測結果對比分析

現場溫度監測系統測點布置見圖6。圖中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ為端橫梁傳感器安裝位置，Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ為中橫梁安裝位置。只取中橫梁位置溫度監控數據，實測結果見圖7。

通過景觀橋澆筑混凝土水化熱的監測數據，可以得出：現澆混凝土的水化熱溫度前期較高，最高監測溫度為74.9 ℃，澆筑66 h以后，溫度開始明顯下降，且前期下降較快，后期下降減緩，最后溫度降至與大氣溫度相近，符合混凝土水化熱變化規律。

將有限元模擬計算的溫度值與實際檢測溫度結果對比，取溫度最高值，統計結果見表3。由表3可見，實測結果中，溫度峰值比理論計算早了約60 h，即溫升階段，溫度升高過快，則說明冷卻水管此時的運作效率低于理論計算。理論計算結果與實測結果溫度變化趨勢相同，實測溫度最高值比理論計算高了10.4 ℃，此時需要注意，防止混凝土表面出現裂縫。

表3 數值理論計算與實際結果對比

3 結 論

a.有限元計算結果與實測結果接近，因此有限元數值模擬適用于大體積混凝土溫控計算。

b.大體積混凝土施工中，其溫度高峰出現一般是在70 h左右，若理論計算結果慢于實際計算結果，則說明冷卻水管作用不明顯，需要進行及時的降溫措施，以防因為混凝土內外溫差過大產生裂縫。