大跨度橋梁邊墩水化熱溫度場分析與合理溫控措施研究

崔容義

(1.成都鐵路局 工務處，成都 610082;2.中南大學 土木工程學院，長沙 410075)

1 工程背景

某高速鐵路雙塔雙索面鋼桁梁斜拉橋的邊墩，墩高21.0 m，平面尺寸為18.2 m×4.5 m，屬大體積混凝土。大體積混凝土由于水化熱的作用將使結構產生較大的里表溫差，如不采取有效的溫度控制措施，一旦溫差過高，超過規范要求，將極有可能導致溫度裂縫的出現，影響到結構的安全性和耐久性［1-2］。針對大橋之前某一引橋橋墩曾出現過輕微裂縫，考慮到邊墩更大的空間尺寸及一次澆筑混凝土更多的方量，因此很有必要通過有限元仿真計算，研究并制定合理的降溫冷卻水管布置方案，并找出其它合理的溫控措施。邊墩結構尺寸如圖1所示。

圖1 邊墩構造圖(單位:cm)

2 有限元模型建立及參數選取

2.1 模型建立

利用橋梁專業軟件MIDAS/CIVIL的水化熱計算模塊，建立邊墩結構的有限元模型，采用8節點空間等參元熱應力實體單元，單元劃分時盡力保證相鄰單元之間的均勻變化，防止有突變，并在截面突變部位及冷卻管布置部位劃分較細，以便能更好地分析其溫度變化情況。約束方式采用邊墩底部固結。有限元計算模型見圖2所示。

圖2 邊墩空間有限元模型

2.2 有限元模型說明

1)計算時取兩種工況進行計算，工況1為澆筑溫度30℃(不設置冷卻管);工況2為澆筑溫度30℃(設置預先設計的冷卻管)。

2)根據水泥水化熱估算公式進行計算，得到282#橋墩C35混凝土絕熱溫升45.5℃。絕熱溫升數值模型取雙曲線函數 Q(τ)=Q0(1 － e－ατβ)，式中，Q0為最終絕熱溫升;α，β為絕熱溫升變化系數。

3)橋墩混凝土預計2010年6月份開始澆筑，根據當地氣象局資料，環境溫度取36℃。

4)冷卻水的溫度取郁江江水溫度，所提供的溫度值約為25℃，冷卻水的流速設定為2.5 m3/h。

5)計算時考慮徐變對混凝土應力的影響。

6)溫度及熱應力計算自橋墩混凝土澆筑開始，模擬之后1個月的溫度、應力發展。

本次計算中所采用的物理特性參數，如彈性模量、線膨脹系數、泊松比等根據以往經驗取值;相對密度試驗測得;絕熱溫升通過水化熱試驗估算［3］，導熱系數和比熱容通過材料組成估算。邊墩冷卻管空間布置示意如圖3。

圖3 邊墩冷卻管空間布置示意

3 主要計算結果分析

計算結果見圖4和圖6，可以得出，在工況1(未設置冷卻管)作用下，橋墩混凝土內部最大溫度為70.5℃，出現在混凝土澆筑后約168 h。圖5給出了在工況1作用下，橋墩混凝土最大內表溫差出現位置的示意圖。圖7為橋墩混凝土內表溫差的時程曲線，由圖中可以看出，橋墩混凝土最大里表溫差發生在混凝土澆筑后約168 h左右，其值約為27.2℃。

圖4 工況1作用下橋墩混凝土內部溫升峰值云圖

圖5 工況1作用下橋墩混凝土最大內表溫差示意

圖6 工況1作用下橋墩混凝土內部溫升曲線

圖7 工況1作用下橋墩混凝土內表溫差時程曲線

圖8 工況2作用下橋墩混凝土內部溫升峰值云圖

圖9 工況2作用下橋墩混凝土最大內表溫差示意

由圖8及圖10可知，在工況2(設置冷卻管)作用下，橋墩混凝土內部最大溫度為66.8℃，出現在混凝土澆筑后約144 h;圖9給出了在工況2作用下，橋墩混凝土最大內表溫差出現位置的示意圖;圖11為橋墩混凝土里表溫差的時程曲線，由圖可知，橋墩混凝土最大溫差發生在混凝土澆筑后約144 h左右，其值約為25.3℃。

綜上所述，根據水化熱空間有限元分析，在未設置冷卻水管的情況下，邊墩混凝土內部的溫升峰值達到了70.5℃，最大里表溫差高達27.2℃，高于規范《大體積混凝土施工規范》(GB 50496—2009)［4］的相應規定;設置冷卻水管之后，通過有限元計算可以發現，橋墩的內部溫升峰值為66.8℃，最大里表溫差為25.3℃，較未設置冷卻管時有所降低，但仍高于規范(GB 50496—2009)要求的25℃。可見通過設置冷卻水管能夠有效地降低混凝土的溫升峰值及里表溫差，但仍然要輔以其它的溫控手段和措施。

主要溫控控制項計算結果如表1、圖12、圖13所示。

表1 兩種工況下橋墩主要控制項計算結果 ℃

圖10 工況2作用下橋墩混凝土內部溫升曲線

圖11 工況2作用下橋墩混凝土內表溫差時程曲線

圖12 橋墩混凝土內部中心點溫度時程對比曲線

圖13 橋墩混凝土內表溫差時程對比曲線

4 結論

混凝土是熱的不良導體，當混凝土澆筑后，因水泥水化反應產生的水化熱，在新澆筑的混凝土結構中不斷積貯熱量，形成短期的內部溫度高、外表面溫度低的水化熱分布狀態。過大的內外溫差將產生水化熱應力，有可能使混凝土出現有害的溫度裂縫。而且體積越大，這種溫差越大，對結構造成的損害也就往往越大。

本工程在具體施工時，在一次澆筑混凝土的情況下，為避免出現過大的里表溫差，防止因里表溫差過大而導致的橋墩混凝土開裂，采取了以下溫控措施:

1)在施工時，注意測量當時氣溫，當氣溫高于混凝土入倉溫度時，則加快運輸和入倉速度，減少混凝土運輸和澆筑過程中的溫度回升。混凝土輸送管外用草袋遮陽，并經常灑水。

2)增大冷卻水的通水流量(理論計算取流速為2.5 m3/h，實際施工時基本控制在2.8 m3/h)，為避免冷卻水與周圍混凝土之間過大的溫差，降低了冷卻水的流入溫度(理論計算時取流入溫度為25℃，實際施工時基本維持在20℃左右)。

3)加強了橋墩混凝土的外部保溫，增加保溫層厚度，如覆蓋一層塑料膜及一層土工布保溫等，并嚴格控制拆模條件和拆模時間［5-6］。

4)根據理論分析的結果，在混凝土的可能開裂部位，加強了普通鋼筋的布置。

通過對該橋邊墩大體積混凝土溫度場和應力場的仿真分析，制定了相應的溫控方案，目前該邊墩已經施工完成，結構整體性能良好，經過長期的觀測，未發現對結構有害的可見溫度裂縫。

［1］朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制［M］.北京:中國電力出版社，1998.

［2］王鐵夢.工程結構裂縫控制［M］.北京:中國建筑工業出版社，1997.

［3］張亮亮，趙亮，袁政強，等.橋墩混凝土水化熱溫度有限元分析［J］.重慶大學學報，2007，30(10):73-76.

［4］中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50496-2009 大體積混凝土施工規范［S］.北京:中國計劃出版社，2009.

［5］孫衍福，郭治勝，吳大宏.大體積混凝土橋墩裂縫分析整治及建議［J］.鐵道工程學報，2006，95(5):67-69.

［6］馬宗磊.客運專線箱梁混凝土水化熱溫度測控研究［J］.鐵道建筑，2008(6):4-6.