后環海堤加固工程承臺水化熱過程分析及控制探討

黃健華

(廣東省源天工程有限公司，廣東 廣州 511340)

1 工程概況

后環海堤位于唐家灣東部，背面為金星門水道，東面為珠江口，海堤建成于1992年，西起留詩邊，東至淇澳大橋長度，全長4.5 km。海堤現狀建設標準偏低，堤身單薄，運行使用近30年，2017年受臺風“天鴿”襲擊，后環海堤及其穿堤水閘損壞嚴重，存在較大的安全隱患，為提高后環海堤的(防洪)標準，消除后環海堤上水閘安全隱患，完善防洪(潮)封閉圈，保證片區人民生命財產安全，配合高新區后環商務片區建設步伐，本工程通過加固海堤和建設水閘共組成防洪系統，將有效解決片區的防洪(潮)等問題，同時改善海堤道路的交通狀況，滿足工程管理要求。本工程水閘結構混凝土在澆筑時應該連續澆筑，并要求每一處混凝土在初凝前就被后一部分的混凝土覆蓋并搗實成整體。水閘承臺混凝土等級為C40。

大體積混凝土澆筑施工時，混凝土溫度會因水泥水化作用而迅速升高，并釋放熱量，但混凝土結構缺乏良好的導熱性，內部聚集的熱量很難短時間內散發，導致承臺結構局部拉應力超限，引發混凝土溫度裂縫。連接基礎和橋墩的承臺是主要受力構件，必須進行承臺水化熱溫度計算，控制結構裂縫的出現。

2 承臺水化熱有限元分析

由于本工程水閘承臺結構的對稱性，取其1/2進行Midas實體單元有限元模擬，并將地基擬定為一定比熱及熱傳導率的結構，承臺頂面按照第三類邊界條件設計，并將模型劃分為1.4362萬個節點和1.1086萬個單元。承臺水化熱有限元模型見圖1。

圖1 1/2承臺水化熱有限元模型

根據有限元分析結果，該水閘承臺大體積混凝土澆筑過程中溫度上升速率較快，在澆筑后20h水化熱溫度即達到最大值，承臺首層混凝土內部結構溫度最大為51.9℃，表面溫度最大為37.4℃；承臺第二層混凝土內部結構溫度最大為48.5℃，表面溫度最大為40.1℃。結合《大體積混凝土施工技術規范》的相關規定可以得出，該水閘承臺大體積混凝土在設計配合比下絕對溫升值[1]可達85.3℃，為此，必須進行循環冷卻水管科學合理的設置，以有效降低承臺大體積混凝土結構水化熱溫度的增長及對結構穩定性的不利影響。模型計算理論值見圖2和圖3。

圖2 承臺大體積混凝土首層水化熱溫度理論值

圖3 承臺大體積混凝土第2層水化熱溫度理論值

3 承臺水化熱過程分析

大體積混凝土澆筑溫度、施工進度、環境溫度、表面保護等是影響澆筑后溫度及水泥水化熱溫升的主要因素。為增強承臺大體積混凝土溫度計算結果的準確性，必須選擇恰當的方法，并選擇正確的材質參數。

3.1 混凝土性能

后環海堤水閘結構封底C20混凝土28 d強度31.7 MPa，根據《預應力混凝土橋涵設計規范》可以得出，其彈性模量為2.48×104MPa，泊松比0.3，密實度0.235×104kg/m3。水閘承臺C30混凝土28 d強度40.4 MPa，根據相關規范，其彈性模量3.10×104MPa，泊松比0.27，密實度0.237×104kg/m3。

參照《大體積混凝土溫度應力及溫度控制》及相關規范，當環境溫度20℃時，原材料及混凝土物理熱學性能見表1和表2，根據水泥、粉煤灰、砂、碎石、水、外加劑等原材料的熱學性能并按照重量進行加權計算，可得出封底混凝土和承臺混凝土的熱學性能參數[2]。

表1 原材料及混凝土熱學性能

表2 混凝土物理熱學性能

根據《大體積混凝土溫度應力及溫度控制》可以得出普通硅酸鹽水泥水化熱系數取328 kJ/kg，并根據水泥水化熱系數計算后環海堤水閘承臺混凝土絕熱溫升，公式如下：

θ0=Q0(W+kF)/c/ρ

式中：θ0為后環海堤水閘承臺混凝土絕熱溫升，℃；Q0為水泥水化熱系數；W為后環海堤水閘承臺水泥用量，kg；k為溫度折減系數，粉煤灰取0.25；F為后環海堤水閘承臺混凝土混合料用量，kg；c為混凝土比熱；ρ為混凝土密度。

將后環海堤水閘承臺混凝土相關數據代入式(1)可以得出其承臺混凝土絕熱溫升為46.9℃。

3.2 分析條件

按照后環海堤水閘施工工期安排，承臺施工在8月份進行，環境平均氣溫為26.8℃，按照相關規范，混凝土應按澆筑施工時環境溫度+3℃進行控制，所以分析過程中取混凝土溫度為30℃。

在進行承臺大體積混凝土溫度計算時，邊界分析條件擬定如下：若對承臺樁基支撐條件進行彈簧模擬，便無法進行承臺樁基熱量傳遞過程的模擬，所以本文采用封底混凝土進行承臺底部傳熱過程的模擬，C20混凝土設計厚度0.5 m，并賦予一定的比熱條件和熱傳導率值，以進行承臺混凝土水化熱傳遞過程的模擬。

3.3 計算要點

混凝土水化熱升溫是導致承臺混凝土體積變形的主要原因，混凝土材料在其持續硬化的過程中升溫，并在環境影響下溫度下降，最終趨于穩定。因混凝土結構導熱系數不大，受到邊界條件的限制后其內部各點溫度均會在不同程度上偏離初始溫度，并形成同時受到內外部約束的非線性溫度應力場，其溫度應力若超出同齡期混凝土結構的抗拉強度便會引發溫度裂縫的產生。

為深入分析承臺大體積混凝土水化熱對混凝土結構的影響機理，設置循環水冷卻和不設置循環水冷卻兩種環境，并采用MIDAS Civil程序構建實體模型，分別進行承臺混凝土水化熱溫度應力的比較以及不設置循環水冷卻對承臺混凝土水化熱不利影響的分析。

4 結果分析

4.1 溫度特征值分析

根據MIDAS Civil程序對不設置循環水冷卻的情況下承臺澆筑后第10 h、20 h、60 h及160 h的溫度時程圖進行分析，并選擇模型中溫度最高和溫度最低點位進行分析結果的查看。結果表明，在不設置循環水冷卻的情況下，溫度最高點位通常位于承臺大體積混凝土結構內部，且最高溫度一般出現在混凝土澆筑結束后的1 d～2 d。根據承臺大體積混凝土澆筑后不同時間段內的溫度特征點位溫度特征值的分析發現，承臺首層混凝土澆筑20 h后其結構內部最高溫度達到51.9℃。

在設置循環水冷卻的情況下，后環海堤水閘承臺大體積混凝土分層澆筑施工時其結構內部降溫主要通過布設冷卻水管實現，以控制其水化熱溫度達到設計溫度要求。承臺分兩次澆筑施工，單次澆筑高度控制在3.0 m，冷卻水管采用導熱性良好，強度符合設計要求的公稱口徑50 mm的薄壁鋼管，按照1.0 m的層間距回形均布，共布設6層，與周圍邊緣的距離為0.5 m，并在每層冷卻水管處均分別設置6個進出水口，以保證冷卻水在承臺內部循環過程中水溫不會快速升高，并能迅速帶走熱量，使承臺內部混凝土材料溫度迅速降低。冷卻水管的平面和立面布置見圖4，其中1為進水口，2為出水口。

(a)平面布置

應用MIDAS Civil程序進行承臺內部設置冷卻水管情況的分析，便可得出承臺澆筑后10 h、20 h、60 h及160 h的溫度時程圖。為進一步分析本工程承臺大體積混凝土水化熱特征，選擇模型中溫度最高和溫度最低點位進行分析結果的查看，結果顯示，在承臺大體積混凝土結構內部分層布設冷卻水管降溫效果十分顯著，且溫度最高點一般出現在冷卻水管設置稀疏及靠近出水口的位置；承臺大體積混凝土結構內部最高溫度出現在澆筑后1 d～2 d內。根據不同澆筑時間段的溫度時程圖發現，混凝土澆筑20 d后結構內部溫度達到35.4℃的最高值。

4.2 應力特征值分析

通過MIDAS Civil程序進行不設置和設置循環水冷卻兩種工況下承臺澆筑混凝土應力特征值分析，具體包括不設置和設置循環水冷卻情況下允許拉應力和結構拉應力之比的最小點位、不設置和設置循環水冷卻情況下壓應力最大點位應力特征值的分析，結果表明，在不設置和設置循環水冷卻情況下混凝土澆筑20 h承臺大體積混凝土表面拉應力最大值可達0.25 MPa和0.15 MPa。

5 結論

根據本文分析結果，在后環海堤水閘承臺大體積混凝土中進行循環水冷卻處理的情況下，混凝土澆筑20 h后內部最高溫度從不設置循環水冷卻情況下的51.9℃降至35.4℃，循環水冷卻水管對承臺大體積混凝土水化熱降溫過程效果顯著。考慮到本工程水閘承臺在不設置冷卻水管的情況下混凝土澆筑后30 h內拉應力最大，而且施工時間安排在8月份，環境溫度較高，水化熱反應劇烈，所以，應通過增設冷卻水管降低水化熱對承臺大體積混凝土澆筑過程的不利影響，控制溫度裂縫的產生。