長大0＃段混凝土水化熱分析與控制

呂志軍

(中鐵十六局集團第五工程有限公司 河北唐山 064000)

1 引言

矮塔斜拉橋又稱部分斜拉橋[1]，其兼有傳統預應力混凝土連續梁橋的剛性和斜拉橋的柔性，受力合理、性價比高，適用于中等跨度橋梁，在對剛度要求較高的鐵路梁橋中具有很強的競爭力[2－3]，為此近年來得到快速發展。隨著材料性能改進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，在澆筑施工過程中，因水化熱效應、施工養護、環境變化以及復雜的內外約束關系，極易出現溫度和收縮裂縫，嚴重者還會產生危及結構安全的貫穿裂縫[4－6]，影響橋梁結構的施工質量，也會因處理裂縫而增加額外費用，因此大體積混凝土水化熱控制是橋梁施工控制的一項主要內容。目前，許多研究者結合實際工程施工，對橋梁承臺和橋墩等大體積混凝土水化熱問題進行了研究[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題，對其進行水化熱分析與控制同樣必要。為此，本文結合新建黃黃鐵路巴河特大橋主橋(44.5＋108＋2×200＋108＋44.5)m預應力矮塔斜拉橋長大0＃段混凝土水化熱控制問題進行研究，通過有限元仿真分析討論不同澆筑順序及降溫措施對水化熱的影響規律，并以此為依據，提出能夠達到目標要求的施工控制措施，以保證0＃段的澆筑施工質量。

2 工程概況

巴河特大橋主橋全長705 m，橋跨布置為(43.65＋108＋200＋200＋108＋43.65)m預應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。主梁為預應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處梁高6.0 m，中支點最低點處梁高11.5 m，軌道結構高度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

該橋主梁0＃段混凝土強度等級為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。施工時間為1～3月份，環境平均溫度為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，計算得到的理論最大絕熱升溫為:

(2)C55混凝土材料熱工參數

①比熱:0.25 kcal/(kg˙℃)；

②比重:2 400 kg/m3；

③熱傳導率:2.3 kcal/(m˙hr˙℃)；

④對流系數:12 kcal/(m2˙h˙℃)；

⑤熱膨脹系數:1.0×10－5。

(3)冷卻水參數

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對流系數:319.55 kcal/(m2˙h˙℃)。

4 托架預壓

4.1 分析模型

為保證0＃段施工質量，防止出現裂縫，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，不設置冷卻管。考慮到實際模型尺寸較大，所需劃分網格較多，故此根據對稱性，只取0＃段的四分之一建立有限元模型并進行分析。

(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單出。第一次灌注共布置18組，其中兩側耳墻內各布置2組，橫隔墻內布置12組，墩梁交接倒角位置的底板內各布置1組；第二次灌注共布置4組，均布置在橫隔墻內。

4.2 結構分析計算

(1)一次灌注成型

根據仿真計算結果，0＃塊一次澆筑成型時，橫隔墻內部溫度整體較高，最高溫度值為Tmax＝71.2℃，內外最大溫差達到40.3℃，已超過內外溫差限制要求。0＃段表面大部分區域主拉應力超過了極限拉應力3.3 MPa，主拉應力最大值達13.5 MPa，梁體開裂不可避免，所以一次灌注成型不滿足防裂控制要求。

(2)二次灌注成型

不設冷卻管二次澆筑成型時，根據有限元模擬結果，橫隔墻內部溫度在第一次澆筑時達到最大為Tmax＝62.9℃，內外最大溫差為34.6℃，0＃段水化熱整體升溫情況較一次澆筑成型有所改善，但是內外溫度差仍超過施工限制要求。

第一次澆筑時，0＃段主拉應力最大值為6.4 MPa，高應力區主要位于墩梁固結的下倒角表面，此時表面大部分區域主拉應力接近極限拉應力3.3 MPa；第二次澆筑時主拉應力最大值為4.4 MPa，此時表面小部分區域主拉應力超過極限拉應力3.3 MPa。故按此方法進行施工，仍不可避免產生溫度裂縫。

(3)二次灌注成型，設冷卻管

采用二次灌注成型，設冷卻管時最高溫度模擬計算結果分別見圖2和圖3。由結果可看出，冷卻管對混凝土施工降溫效果明顯，第一次灌注混凝土內部最高溫度Tmax＝38.3℃，內外溫差ΔT＝18.3℃；第二次灌注混凝土內部最高溫度為Tmax＝35.1℃，內外溫差ΔT＝15.1。兩次澆筑內外溫差均低于20℃，表明控制效果顯著，符合規范溫度差限制要求。

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

采用布設冷凝管的二次灌注成型法施工時，最大主拉應力情況分別如圖4和圖5所示。第一次灌注時，除個別角點應力集中，主拉應力峰值達到2.1 MPa外，其余部位主拉應力均低于1.1 MPa。計算沒有考慮普通鋼筋的作用，混凝土實際主拉應力要低于計算值。第二次灌注時，主拉應力峰值僅為1.8 MPa，遠低于混凝土抗拉強度限值3.3 MPa，梁體不會產生開裂。故本工程選用二次灌注成型，設置冷凝管法施工。

圖4 第一次灌注最大主拉應力分布

圖5 第二次灌注最大主拉應力分布

5 水化熱控制措施

5.1 混凝土澆筑

根據有限元分析結果可知，大體積0＃段在施工過程中水化熱反應較顯著，構件內外溫差過大易導致溫度裂縫的產生。為了避免可能出現的各種裂縫病害，消除水化熱可能帶來的不利影響，結合有限元分析結果，采用分層澆筑、布設冷卻管的方法進行0＃段澆筑施工可以有效降低混凝土內部水化熱溫升值。

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，可減小構件因水化熱引起的內外溫差[10]。澆筑時布設冷卻管，通過循環冷卻水帶走混凝土內部熱量，降低因水化熱引起的構件內部溫升值。

5.2 原材料把控

(1)選用低熱水泥進行施工。水泥的水化反應是產生水化熱的主要來源，在進行混凝土配比設計時，應在滿足施工需求的前提下，優先選用低熱水泥。

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

5.3 混凝土養護

防止大體積混凝土因水化熱反應發生開裂，施工期間對混凝土構件的養護也是重要環節。混凝土終凝后可以在混凝土構件表面覆蓋保溫材料，防止混凝土構件因表面散熱速率較大而導致內外溫差過大，從而避免出現深層裂紋和表面裂紋[13]。

6 結束語

采用有限元軟件MIDAS FEA對巴河特大橋主橋長大0＃段進行水化熱溫度效應仿真模擬分析，結果表明大體積混凝土易因水化熱引起的溫度應力大于混凝土主拉應力而產生開裂。因此在實際工程中，應對大體積混凝土構件內外溫差進行嚴格控制，可通過設置冷凝管、分層澆筑等措施降低混凝土內部因水化熱反應引起的溫度升高，減少內外溫差，防止出現溫度裂縫。