海洋環境下大體積海工混凝土海上施工水化熱控制

李 濤， 申瑞娟， 王金梁， 王道隆， 雷 棟

(1.浙江海洋大學 港航與交通運輸工程學院， 浙江 舟山 316022； 2.中交路橋華南工程有限公司， 廣東 中山528400； 3.中交路橋華東工程有限公司， 上海 200120)

混凝土水化熱是導致其開裂、服役性能降低的主要原因，海上大體積海工混凝土施工環境存在日照強、晝夜溫差大，伴隨臺風等惡劣天氣條件；跨海橋梁大體積海工混凝土施工需要海上拌和、連續澆筑，因此施工過程中控制其溫度應力產生裂縫是保證海工混凝土施工質量的關鍵，故研究其溫控措施有較大的意義。目前最常使用降低混凝土水化熱的方法有2種，一是預冷方式[1]，白鶴灘水電站工程通過預冷方式達到混凝土溫度控制的設計要求[2]，劉軍輝[3]等通過在攪拌水中添加冰塊的方式將入模平均溫度控制在允許范圍內；另一種是后冷卻方式，是大體積混凝土施工水化熱控制最有效的措施[4-5]，早期俄勒岡州Owyhee大壩和胡佛水壩使用后冷卻方式效果顯著[6]；TASRI[7]針對不同材質的水管做了后冷卻方式，降低水化熱溫度70%和36%，水管間距對混凝土溫度場的影響相比于通水溫度的影響更大，也可減小管冷帶來的溫度應力[8]，YANG[9]建立了雙層交錯非均相冷卻水管道大體積混凝土熱分析的三維有限元程序，并在實際案例中驗證了程序的可靠性，KIM[10]提出了一種基于內部流理論的冷卻管的線元建模以計算溫度變化，并將結果與實驗進行比較，預測結果與現場測量數據顯示出良好的一致性，LIU[11]所提出的熱-流耦合模型考慮了實際工程的氣候條件、管冷方案和材料熱力性質等因素，其模擬結果與實測大體積混凝土溫度場高度吻合，朱伯芳[12-13]將冷卻水管看成負熱源，在一定程度上考慮水管冷卻的效果，并提出混凝土壩水管冷卻小溫差、早冷卻、慢冷卻的新思路，王新剛[14]等認為水管布置形式、冷卻水溫度、水管管徑、管距和冷卻水流量是水冷的關鍵影響因素。前人的研究已經在混凝土溫度場管冷方面做了大量貢獻，但缺乏大體積海工混凝土海上施工水化熱產生溫度應力的相關研究。本文研究以舟岱跨海大橋承臺大體積海工混凝土的海上施工為背景，通過分析施工海域光照、風速等代表性環境參數，綜合設定了海上環境下的施工溫度和溫度場計算參數，擬定了19種工況模擬管冷施工方案，優化后選取管冷措施方案成功地指導了主塔承臺大體積海工混凝土的施工，取得了較好的效果。

1 項目背景

寧波舟山港主通道跨海橋梁主橋為三塔整幅鋼箱梁斜拉橋(如圖1所示)；主墩承臺采用整體式六邊形承臺，外輪廓尺寸為51 m×32 m(橫向×縱向)，大體積海工混凝土直接澆筑至承臺鋼套箱中。

圖1 舟岱大橋主橋布置圖

圖2 承臺立面構造示意圖

圖3 溫度傳感器布置(單位：cm)

本文選取具有代表性的主塔承臺為研究對象，如圖2所示，外輪廓尺寸為51 m×32 m，厚度為6.5 m；分2層澆筑施工，第一次澆筑厚度2 m，方量2726.6m3，第二次澆筑厚度4.5m，方量6134.85m3。本文研究選取承臺的1/4結構埋置溫度傳感器(見圖3)進行數據采集。

2 海上施工環境分析

2.1 海上施工環境溫度分析

施工項目位于浙江舟山海域，海上施工環境影響因素主要有：

a.日照。本文分析研究該海域60多年氣象資料，發現9月該海域晴天多、日照強，造成白晝溫差大，分析得到月極端最高氣溫達到38 ℃，極端最低氣溫為19.6 ℃，歷年9月最大晝夜溫差達18℃，如此極端溫差對大體積海工混凝土施工帶來嚴峻考驗。

b.風速。本文分析研究該海域60多年氣象資料，發現9月該海域內月平均風速都在4 m/s以上，海平面10m高處的基本風速為42.3 m/s，9月最大風速達到16.7 m/s，平均風速為8.4 m/s，由此給大體積海工混凝土施工表面熱交換速度帶來不利影響。

論文對該施工海域60多年氣候資料進行了分析研究，得出9月份環境溫度在27 ℃上下浮動(見圖4)，因此建議大體積海工混凝土施工避開白天強光照、高風速等惡劣氣候條件影響，建議大體積海工混凝土施工澆筑在9月23日以后開始進行，白天強光照時候進行澆筑準備工作，下午16:30至第2天上午10：00進行連續施工作業，本文模擬工況時候選取施工環境溫度取為27 ℃。

圖4 舟山市1954-2018年9月份平均氣溫年際變化

2.2 大體積海工混凝土水化熱計算參數分析

2.2.1大體積海工混凝土配合比設計參數

依據設計文件和相關技術標準選用優化后C40海工混凝土施工混凝土配合比如下：水泥126 kg/m3，粉煤灰155 kg/m3，礦粉139 kg/m3，河砂721 kg/m3，碎石1 082 kg/m3，外加劑29.2 kg/m3，水122 kg/m3。

2.2.2大體積海工混凝土比熱容和導熱系數計算

各組分材料的比熱容和導熱系數，以及混凝土的比熱容和導熱系數可通過加權平均進行估算[15]，如式(1)和式(2)所示：

(1)

(2)

式中：Wi為混凝土各組成成分的質量，kg；λi為混凝土各組成成分的導熱系數，kJ/(m·h·℃)；Ci為混凝土各組成成分的比熱容，kJ/(kg·℃)。

2.2.3海上施工的澆筑溫度計算

根據本文前面研究模擬工況選取計算環境溫度為27 ℃，采用海上拌合船拌和混凝土，通過集料預冷方式，砂、碎石計算溫度25 ℃，水泥計算溫度39 ℃、粉煤灰計算溫度32 ℃，攪拌水溫以冰水混合方式取5 ℃～15 ℃；砂含水率4.8%，碎石含水率為0.8%，擬定出機溫度T=24 ℃；綜合海上施工等環境因素的影響，計算得到澆筑溫度28 ℃。

2.2.4大體積海工混凝土絕熱溫升計算

假設大體積海工混凝土結構與外界不發生任何熱量交換且澆筑過程中無任何熱損失，膠凝材料水化熱將全部轉化為混凝土的溫度值，其絕熱溫升值可按式(3)進行估算[15]，根據可估算混凝土的絕熱溫升值為56 ℃。

(3)

3 大體積海工混凝土管冷優化溫度場模型構建

3.1 有限元模型的構建

論文采用有限元軟件MIDAS/Civil對承臺C40海工混凝土大體積混凝土結構的溫度場的發展與變化進行仿真分析，兼顧計算效率和分析精度，采用六面體網格單元，節點數為26669，單元數為24276，建立ZT4#主承臺混凝土有限元模型如圖5所示，計算模型中考慮2 m高度的封底混凝土層。

圖5 有限元模型

3.2 大體積海工混凝土溫度場求解

本文分析考慮帶冷卻水管混凝土內的熱傳導效應，其控制方程[15]如式(4)所示：

(4)

按第三類邊界條件處理，上述熱傳導方程式(4)的初始條件和邊界條件分別如式(5)～式(7)所示:

初始條件，當t=0時：

T(x，y，z，t)=T0(x，y，z)

(5)

邊界條件：

(6)

(7)

式中：n為法線；β為一般邊界C的放熱系數；θ為絕熱溫升；Ta為一般邊界C上的外界溫度；k5為冷卻水管的放熱系數；TW為冷卻水管的水溫。

論文采取近似水溫法計算[16]如式(8)所示：

(8)

式中：Tw0為入水口溫度；TLw為出水口溫度。

3.3 大體積海工混凝土溫度場模擬

依據前面氣象分析和建議施工時間，承包商管冷方案采用布置2層冷卻水管，上下交錯布置，上下和左右間距均為1 m；因為第二層承臺澆筑厚度為4.5 m，澆筑厚度快接近極限值，內部熱量難以及時散失，故需要對管冷方案進行進一步優化，優化前管冷計算參數如下： 入水溫度為30 ℃,管徑為0.035 m,管距為1.5 m,流量為2 m3/h,層數為3。

根據有限元建模和優化前管冷布置參數，得到承臺混凝土溫度場有限元計算的結果，其中承臺內部溫度峰值見圖6，中心溫度時程曲線見圖7。

圖6 溫度峰值

圖7 中心溫度時程曲線

4 管冷優化參數分析

4.1 擬定模擬工況

論文擬定模擬工況，將溫度場影響因素歸類為外因與內因，復雜的海上施工環境為外因，內部海工混凝土產生水化熱導致的內外溫差為內因，本文擬定工況假設外因一定，內因變化；模擬工況主要是針對布置的冷卻水管的參數進行優化：優化水管布置形式、冷卻水溫度、水管管徑、管距和冷卻水流量；模擬施工工況見表1。

4.2 計算結果分析

針對表1中的工況進行有限元模型計算，取典型的位置即中心溫度進行分析，得到以下4個中心溫度時程曲線，見圖8～圖11。

表1 工況布置表Table 1 Layout of working condition工況環境溫度27 ℃風速5 m/s澆注溫度28 ℃水管管徑/m水管管距/m冷卻水溫/℃冷卻水流量/(m3·h-1)1√√√0.0181202.52√√√0.0241202.53√√√0.0301202.54√√√0.0361202.55√√√0.0421202.56√√√0.0420.5202.57√√√0.0421202.58√√√0.0421.5202.59√√√0.0422202.510√√√0.0421102.511√√√0.0421152.512√√√0.0421202.513√√√0.0421252.514√√√0.0421302.515√√√0.0421201.516√√√0.0421202.017√√√0.0421202.518√√√0.0421203.019√√√0.0421203.5

圖8 工況1～工況5管徑的影響計算結果

圖9 工況6～工況9管距的影響計算結果

圖10 工況10～工況14冷卻水溫的影響計算結果

圖11 工況15～工況19冷卻水流量的影響計算結果

從圖8可知，在水管直徑分別為0.018、0.024、0.030、0.036、0.042 m時，內部最高溫度分別為72 ℃、69.7 ℃、68.7 ℃、67.8 ℃、65.6 ℃，可以看出隨著水管管徑的不斷增大，混凝土最高溫度不斷降低，管徑每變化0.006 m，最高溫度降低2 ℃左右，且溫峰值在降低的同時出現的時間也在提前，降溫速率也在不斷增大，因此管徑的改變有利于溫度控制，但管徑越大，成本會越增加，故選取管徑為0.042 m 的冷卻水管。

從圖9可知，在水管間距分別為0.5、1.0、1.5、2 m時，內部最高溫度分別為64.5 ℃、67.2 ℃、70 ℃、73.1 ℃，當管距由2.0 m縮短到0.5 m時內部溫度峰值由73.1 ℃降低到64.5 ℃，水管間距每變化0.5 m溫峰值變化3 ℃左右；因此改變管距，降溫效果較為明顯，考慮到結構強度和經濟成本,選取管距為1 m。

從圖10可知，在水溫每降低10 ℃時，內部最高溫度降低3 ℃左右，降溫速率增大，最大內表溫差降低，是有效的降溫措施，但過大溫差容易在水管周圍產生局部拉應力，生成新的溫度裂縫，故選用冷卻水溫度為20 ℃。

從圖11可知，當流量從1.5 m3/h到2.5 m3/h時，內部最高溫度約減小了5 ℃，出現時間約提前了6 h，隨著流量由2.5 m3/h增加到3.5 m3/h，內部最高溫度變化幅度較小，降溫效果趨于穩定，因此在考慮冷卻效果和控溫成本的前提下，選取入水流量為2.5 m3/h。

4.3 模擬與實測對比分析

通過擬定工況分析，建議施工過程中采用工況19進行管冷設置，優化后的水管參數:直徑為0.042 m，管距為1 m，布置層數為4層，入水溫度為20 ℃，水流量為2.5 m3/h。通過施工過程監測數據中心溫度時程曲線對比圖(見圖12)和降溫速率對比圖(見圖13)，發現降溫效果明顯，均在規范要求的2 ℃/d以內，且未發現明顯裂縫。

圖12 中心溫度時程曲線對比圖

圖13 降溫速率對比圖

5 結論

a.通過擬定不同工況的管冷優化分析，推薦的管徑為0.042 m、管距為1 m、入水溫度為20 ℃、流速為2.5 m3/h的矩形分布且上下2層交錯分布的管冷布置為最優方案，降溫速率滿足規范規定的2 ℃/d的要求，優化效果明顯，經濟效益良好。

b.通過歷史氣象統計資料研究分析，綜合研究考慮海上施工環境影響因素，建議施工方錯峰施工，措施效果良好，經濟效益顯著，為同類工程海上施工積累了寶貴經驗。