長(zhǎng)大0＃段混凝土水化熱分析與控制

呂志軍

(中鐵十六局集團(tuán)第五工程有限公司 河北唐山 064000)

1 引言

矮塔斜拉橋又稱部分斜拉橋[1]，其兼有傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的剛性和斜拉橋的柔性，受力合理、性價(jià)比高，適用于中等跨度橋梁，在對(duì)剛度要求較高的鐵路梁橋中具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力[2－3]，為此近年來(lái)得到快速發(fā)展。隨著材料性能改進(jìn)和施工工藝水平逐步提高，矮塔斜拉橋向著多跨、寬梁、高墩等方向發(fā)展。

矮塔斜拉橋梁體0＃段混凝土屬于大體積混凝土，在澆筑施工過(guò)程中，因水化熱效應(yīng)、施工養(yǎng)護(hù)、環(huán)境變化以及復(fù)雜的內(nèi)外約束關(guān)系，極易出現(xiàn)溫度和收縮裂縫，嚴(yán)重者還會(huì)產(chǎn)生危及結(jié)構(gòu)安全的貫穿裂縫[4－6]，影響橋梁結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量，也會(huì)因處理裂縫而增加額外費(fèi)用，因此大體積混凝土水化熱控制是橋梁施工控制的一項(xiàng)主要內(nèi)容。目前，許多研究者結(jié)合實(shí)際工程施工，對(duì)橋梁承臺(tái)和橋墩等大體積混凝土水化熱問(wèn)題進(jìn)行了研究[7－9]。在較大跨度橋梁施工中，梁體一般也屬于大體積混凝土澆筑問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行水化熱分析與控制同樣必要。為此，本文結(jié)合新建黃黃鐵路巴河特大橋主橋(44.5＋108＋2×200＋108＋44.5)m預(yù)應(yīng)力矮塔斜拉橋長(zhǎng)大0＃段混凝土水化熱控制問(wèn)題進(jìn)行研究，通過(guò)有限元仿真分析討論不同澆筑順序及降溫措施對(duì)水化熱的影響規(guī)律，并以此為依據(jù)，提出能夠達(dá)到目標(biāo)要求的施工控制措施，以保證0＃段的澆筑施工質(zhì)量。

2 工程概況

巴河特大橋主橋全長(zhǎng)705 m，橋跨布置為(43.65＋108＋200＋200＋108＋43.65)m預(yù)應(yīng)力混凝土部分斜拉橋，邊墩及輔助墩支座橫橋向中心距4.65＋4.65 m，邊塔支座橫橋向中心距4.75＋4.75 m。主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土單箱雙室直腹板箱梁，采用C55混凝土，邊跨直線段及中跨跨中截面最低點(diǎn)處梁高6.0 m，中支點(diǎn)最低點(diǎn)處梁高11.5 m，軌道結(jié)構(gòu)高度725 mm。梁高按圓曲線變化，圓曲線半徑R＝836.21 m。箱梁頂板寬14.1 m，底板寬11 m，頂板厚度50 cm，底板厚度45～120 cm，中支點(diǎn)處局部加厚到220 cm，腹板厚度分別為45 cm、60 cm、90 cm。如圖1所示，主梁0＃段高12.5 m、長(zhǎng)20 m，混凝土體積為1 418.5 m3，屬大體積混凝土。

圖1 0＃塊示意(單位:mm)

3 水化熱分析參數(shù)

該橋主梁0＃段混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C55，每立方米膠凝材料用量為400 kg，膠凝材料水化熱總量為320 kJ/kg。施工時(shí)間為1～3月份，環(huán)境平均溫度為15℃。

(1)最大絕熱溫升

混凝土最大絕熱溫升可由下式計(jì)算:

式中:W為每立方混凝土膠凝材料用量，取400 kg/m3；Q為膠凝材料水化熱總量，取320 kJ/kg；C為混凝土比熱容，取0.92～1.0 kJ/(kg˙℃)；ρ為混凝土密度，取 2 400～2 500 kg/m3。

故按照本工程材料參數(shù)，計(jì)算得到的理論最大絕熱升溫為:

(2)C55混凝土材料熱工參數(shù)

①比熱:0.25 kcal/(kg˙℃)；

②比重:2 400 kg/m3；

③熱傳導(dǎo)率:2.3 kcal/(m˙hr˙℃)；

④對(duì)流系數(shù):12 kcal/(m2˙h˙℃)；

⑤熱膨脹系數(shù):1.0×10－5。

(3)冷卻水參數(shù)

①比熱:1 kcal/(kg˙℃)；

②比重:1 000 kg/m3；

③流入溫度:15℃；

④流量:5.0 m3/hr；

⑤對(duì)流系數(shù):319.55 kcal/(m2˙h˙℃)。

4 托架預(yù)壓

4.1 分析模型

為保證0＃段施工質(zhì)量，防止出現(xiàn)裂縫，采用Midas FEA軟件建立了三種不同施工方案下的0＃段模型，具體如下:

(1)0＃段一次性灌注成型，不設(shè)置冷卻管。考慮到實(shí)際模型尺寸較大，所需劃分網(wǎng)格較多，故此根據(jù)對(duì)稱性，只取0＃段的四分之一建立有限元模型并進(jìn)行分析。

(2)0＃塊分兩次灌注成型，第一次灌注8.38 m，第二次灌注3.12 m，不設(shè)置冷卻管。

(3)0＃塊分兩次灌注成型，第一次灌注8.38 m，第二次灌注3.12 m，兩次灌注均設(shè)置冷卻管。冷卻管采用?40×2.5 mm鋼管，冷卻管間距1.0 m，每組冷卻管均為單進(jìn)單出。第一次灌注共布置18組，其中兩側(cè)耳墻內(nèi)各布置2組，橫隔墻內(nèi)布置12組，墩梁交接倒角位置的底板內(nèi)各布置1組；第二次灌注共布置4組，均布置在橫隔墻內(nèi)。

4.2 結(jié)構(gòu)分析計(jì)算

(1)一次灌注成型

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，0＃塊一次澆筑成型時(shí)，橫隔墻內(nèi)部溫度整體較高，最高溫度值為Tmax＝71.2℃，內(nèi)外最大溫差達(dá)到40.3℃，已超過(guò)內(nèi)外溫差限制要求。0＃段表面大部分區(qū)域主拉應(yīng)力超過(guò)了極限拉應(yīng)力3.3 MPa，主拉應(yīng)力最大值達(dá)13.5 MPa，梁體開(kāi)裂不可避免，所以一次灌注成型不滿足防裂控制要求。

(2)二次灌注成型

不設(shè)冷卻管二次澆筑成型時(shí)，根據(jù)有限元模擬結(jié)果，橫隔墻內(nèi)部溫度在第一次澆筑時(shí)達(dá)到最大為Tmax＝62.9℃，內(nèi)外最大溫差為34.6℃，0＃段水化熱整體升溫情況較一次澆筑成型有所改善，但是內(nèi)外溫度差仍超過(guò)施工限制要求。

第一次澆筑時(shí)，0＃段主拉應(yīng)力最大值為6.4 MPa，高應(yīng)力區(qū)主要位于墩梁固結(jié)的下倒角表面，此時(shí)表面大部分區(qū)域主拉應(yīng)力接近極限拉應(yīng)力3.3 MPa；第二次澆筑時(shí)主拉應(yīng)力最大值為4.4 MPa，此時(shí)表面小部分區(qū)域主拉應(yīng)力超過(guò)極限拉應(yīng)力3.3 MPa。故按此方法進(jìn)行施工，仍不可避免產(chǎn)生溫度裂縫。

(3)二次灌注成型，設(shè)冷卻管

采用二次灌注成型，設(shè)冷卻管時(shí)最高溫度模擬計(jì)算結(jié)果分別見(jiàn)圖2和圖3。由結(jié)果可看出，冷卻管對(duì)混凝土施工降溫效果明顯，第一次灌注混凝土內(nèi)部最高溫度Tmax＝38.3℃，內(nèi)外溫差ΔT＝18.3℃；第二次灌注混凝土內(nèi)部最高溫度為Tmax＝35.1℃，內(nèi)外溫差ΔT＝15.1。兩次澆筑內(nèi)外溫差均低于20℃，表明控制效果顯著，符合規(guī)范溫度差限制要求。

圖2 第一次灌注最高溫度分布

圖3 第二次灌注最高溫度分布

采用布設(shè)冷凝管的二次灌注成型法施工時(shí)，最大主拉應(yīng)力情況分別如圖4和圖5所示。第一次灌注時(shí)，除個(gè)別角點(diǎn)應(yīng)力集中，主拉應(yīng)力峰值達(dá)到2.1 MPa外，其余部位主拉應(yīng)力均低于1.1 MPa。計(jì)算沒(méi)有考慮普通鋼筋的作用，混凝土實(shí)際主拉應(yīng)力要低于計(jì)算值。第二次灌注時(shí)，主拉應(yīng)力峰值僅為1.8 MPa，遠(yuǎn)低于混凝土抗拉強(qiáng)度限值3.3 MPa，梁體不會(huì)產(chǎn)生開(kāi)裂。故本工程選用二次灌注成型，設(shè)置冷凝管法施工。

圖4 第一次灌注最大主拉應(yīng)力分布

圖5 第二次灌注最大主拉應(yīng)力分布

5 水化熱控制措施

5.1 混凝土澆筑

根據(jù)有限元分析結(jié)果可知，大體積0＃段在施工過(guò)程中水化熱反應(yīng)較顯著，構(gòu)件內(nèi)外溫差過(guò)大易導(dǎo)致溫度裂縫的產(chǎn)生。為了避免可能出現(xiàn)的各種裂縫病害，消除水化熱可能帶來(lái)的不利影響，結(jié)合有限元分析結(jié)果，采用分層澆筑、布設(shè)冷卻管的方法進(jìn)行0＃段澆筑施工可以有效降低混凝土內(nèi)部水化熱溫升值。

合理分配第一層和第二層的混凝土澆筑量，減小第二次混凝土澆筑量，可減小構(gòu)件因水化熱引起的內(nèi)外溫差[10]。澆筑時(shí)布設(shè)冷卻管，通過(guò)循環(huán)冷卻水帶走混凝土內(nèi)部熱量，降低因水化熱引起的構(gòu)件內(nèi)部溫升值。

5.2 原材料把控

(1)選用低熱水泥進(jìn)行施工。水泥的水化反應(yīng)是產(chǎn)生水化熱的主要來(lái)源，在進(jìn)行混凝土配比設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在滿足施工需求的前提下，優(yōu)先選用低熱水泥。

(2)優(yōu)化混凝土骨料級(jí)配配比，降低膠凝材料用量，盡可能選用大骨料，保證混凝土強(qiáng)度的同時(shí)降低膠凝材料產(chǎn)生的水化熱。可適當(dāng)摻加粉煤灰等摻合料，既可以提高混凝土的和易性和強(qiáng)度，同時(shí)還可以改善混凝土的水化熱效應(yīng)[11－12]。

5.3 混凝土養(yǎng)護(hù)

防止大體積混凝土因水化熱反應(yīng)發(fā)生開(kāi)裂，施工期間對(duì)混凝土構(gòu)件的養(yǎng)護(hù)也是重要環(huán)節(jié)。混凝土終凝后可以在混凝土構(gòu)件表面覆蓋保溫材料，防止混凝土構(gòu)件因表面散熱速率較大而導(dǎo)致內(nèi)外溫差過(guò)大，從而避免出現(xiàn)深層裂紋和表面裂紋[13]。

6 結(jié)束語(yǔ)

采用有限元軟件MIDAS FEA對(duì)巴河特大橋主橋長(zhǎng)大0＃段進(jìn)行水化熱溫度效應(yīng)仿真模擬分析，結(jié)果表明大體積混凝土易因水化熱引起的溫度應(yīng)力大于混凝土主拉應(yīng)力而產(chǎn)生開(kāi)裂。因此在實(shí)際工程中，應(yīng)對(duì)大體積混凝土構(gòu)件內(nèi)外溫差進(jìn)行嚴(yán)格控制，可通過(guò)設(shè)置冷凝管、分層澆筑等措施降低混凝土內(nèi)部因水化熱反應(yīng)引起的溫度升高，減少內(nèi)外溫差，防止出現(xiàn)溫度裂縫。