橋梁承臺(tái)大體積混凝土施工的水化熱控制

陳青華，時(shí)建云

（1.阜陽市重點(diǎn)工程建設(shè)管理局，安徽 阜陽 236000；2.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009）

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橋梁承臺(tái)大體積混凝土施工的水化熱控制

陳青華1，時(shí)建云2

（1.阜陽市重點(diǎn)工程建設(shè)管理局，安徽 阜陽 236000；2.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009）

利用大型結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件MIDAS/Civil，對(duì)阜陽市東環(huán)路潁河大橋承臺(tái)混凝土施工過程進(jìn)行建模，計(jì)算并預(yù)測(cè)混凝土澆筑后不同時(shí)間階段的水化熱溫度。通過建模分析并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析比較通過布置冷水管對(duì)溫度控制的影響作用，得出了一些有益結(jié)論。對(duì)具體施工方案和監(jiān)控方案作了一些簡(jiǎn)要說明。

大體積混凝土；冷水管；水化熱；MIDAS/Civil

1　工程概況

阜陽市東環(huán)路潁河大橋及接線工程位于阜陽市東郊。主橋主墩位于潁河水中，設(shè)計(jì)承臺(tái)尺寸為（長）34m×（寬）14m×（高）5m，混凝土強(qiáng)度為C30等級(jí)，單個(gè)承臺(tái)混凝土方量為2380m3，屬于大體積混凝土。

2　承臺(tái)施工方案

由于混凝土方量比較大，故分兩次澆筑：第一次澆筑高度為3m，方量為1428m3；第二次澆筑高度2m，方量為952m3。

2.1混凝土配合比設(shè)計(jì)

選用減水劑，普通硅酸鹽P.042.5級(jí)水泥，采用鳳臺(tái)產(chǎn)地5～31.5mm碎石，平均粒徑大于0.5mm淮濱產(chǎn)中砂，水泥用量按施工方的配比取為310kg/m3。具體混凝土配合比如下：

水泥∶水∶砂∶碎石∶摻合料∶外加劑=310∶180∶761∶1094∶54.8∶7.66。

2.2冷卻水管的布置

冷卻水管采用直徑32mm黑鐵管，豎向分4層布置，水平向按蛇形布置，冷卻水管豎向間距為1m，水平間距為1m，距承臺(tái)混凝土邊緣約為0.5m，每層設(shè)豎向進(jìn)水管出水管各1個(gè)。

3　承臺(tái)水化熱有限元分析

3.1MIDAS/Civil模型

采用結(jié)構(gòu)分析軟件MIDAS建立了主墩承臺(tái)的水化熱分析有限元模型。該計(jì)算能夠模擬承臺(tái)混凝土的整個(gè)澆筑及養(yǎng)護(hù)過程，考慮了混凝土的澆筑溫度、混凝土水化熱的散發(fā)規(guī)律、養(yǎng)護(hù)方式、冷卻水管降溫、外界氣溫變化、混凝土彈模變化、混凝土徐變等復(fù)雜因素。

由于模型具有對(duì)稱性，這里只取1/4模型進(jìn)行建模和分析。單元采用實(shí)體單元，單元總數(shù)為11186，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為13258。模型按分兩層澆筑進(jìn)行分析，第一層高度3m，第二層高度2m，施工間隔期為10d。計(jì)算時(shí)，承臺(tái)頂面及四周為第三類邊界條件；考慮混凝土收縮徐變對(duì)混凝土應(yīng)力的影響，三維模型如圖1所示。

圖1　1/4鏡像結(jié)構(gòu)有限元模型

3.2模型相關(guān)計(jì)算參數(shù)

根據(jù)相關(guān)技術(shù)資料，計(jì)算了混凝土的熱學(xué)性能指標(biāo)，包括導(dǎo)熱系數(shù)和比熱。采用復(fù)合指數(shù)式水化熱計(jì)算方法，估算混凝土最大絕熱溫升為45℃。根據(jù)施工方案，承臺(tái)混凝土四周采用磚模板，覆蓋4cm草席。計(jì)算時(shí)，相關(guān)材料的導(dǎo)熱系數(shù)為：草席，2.605 kcal/m2·hr·t；混凝土熱傳導(dǎo)率，2.3kcal/m·hr·t；混凝土比熱為0.25kcal·g/kg·t。模型環(huán)境溫度取為固定值15℃。冷卻水管內(nèi)徑32mm，水流速度取1.5m3/h，進(jìn)水口溫度為15℃，水管通水計(jì)算時(shí)間為168h。根據(jù)以往施工控制資料和本項(xiàng)目具體情況，計(jì)算分析時(shí)混凝土的澆筑溫度Tp取為25℃。

3.3水化熱分析結(jié)果

在MIDAS/Civil中水化熱分析大致分為由混凝土水化過程中引起的溫度分布分析和溫度、齡期引起的彈性模量的變化、徐變及收縮時(shí)的應(yīng)力分析等。由于混凝土內(nèi)部溫度不同，導(dǎo)致體積變化不均勻而發(fā)生的內(nèi)部約束是產(chǎn)生溫度應(yīng)力的主要原因。同時(shí)由于水化反應(yīng)使混凝土的溫度達(dá)到最大之后會(huì)漸漸降溫。降溫到一定程度時(shí)，內(nèi)部的體積收縮大于外表面的體積收縮，導(dǎo)致外表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力。

節(jié)點(diǎn)溫度峰值出現(xiàn)在第二階段澆筑后的第120h，溫度峰值為43.91℃。

圖2　承臺(tái)澆筑出現(xiàn)最高溫度時(shí)刻1/4模型溫度云圖

溫度峰值節(jié)點(diǎn)（X=23.0m、Y=6.0m、Z=7.0m）的溫度歷程圖如圖3所示。

圖3　最高溫度節(jié)點(diǎn)的溫度歷程圖

其它幾個(gè)內(nèi)部溫度較高點(diǎn)與對(duì)應(yīng)表面較低點(diǎn)的溫度歷程如圖4所示。

圖4　幾個(gè)最高溫度點(diǎn)與表面最低點(diǎn)的溫度歷程圖

分析可知，承臺(tái)混凝土內(nèi)外溫差基本都可控制在25℃以內(nèi)。

第二施工階段澆筑后第30d節(jié)點(diǎn)的主拉應(yīng)力也達(dá)到最大值，該值為2.44MPa，此時(shí)的應(yīng)力云圖如圖5。

圖5　出現(xiàn)最高應(yīng)力時(shí)刻應(yīng)力云圖

最大主拉應(yīng)力節(jié)點(diǎn)應(yīng)力歷程如圖6所示。

圖6　應(yīng)力峰值節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力歷程圖

分析表明混凝土最大主拉應(yīng)力并未超過容許主拉應(yīng)力，不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部裂縫。

4　水化熱溫度現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況

4.1監(jiān)測(cè)方案

如圖7所示，每個(gè)承臺(tái)各布測(cè)溫點(diǎn)8個(gè)，分別測(cè)試混凝土表面溫度與內(nèi)部溫度。根據(jù)計(jì)算和監(jiān)控經(jīng)驗(yàn)，大體積混凝土的溫差變化在前2～3d內(nèi)波動(dòng)最大，因此在這段時(shí)間進(jìn)行不間斷測(cè)量，測(cè)試頻率為6h/次，檢查混凝土的內(nèi)外溫差是否在容許溫差25℃以內(nèi)。后期適當(dāng)延長測(cè)溫間隔。環(huán)境溫度用普通溫度計(jì)量測(cè)，承臺(tái)外表溫度用擱置在表面的JMT-36c溫度傳感器（放置5～10min穩(wěn)定后）量測(cè)。

圖7　測(cè)點(diǎn)布置示意圖

4.2監(jiān)控點(diǎn)實(shí)測(cè)溫度與理論溫度變化曲線

第一次澆筑3m，取1、2、3測(cè)點(diǎn)的平均溫度代表混凝土表面溫度，測(cè)點(diǎn)4溫度表示中心點(diǎn)溫度。繪制表面實(shí)測(cè)溫度和理論溫度隨時(shí)間變化曲線，結(jié)果見圖8。圖9反映中心點(diǎn)實(shí)測(cè)溫度和理論溫度隨時(shí)間變化曲線。

圖8　第一層澆筑后中心溫度實(shí)測(cè)值和理論值隨時(shí)間變化曲線

圖9　第一層澆筑后表面溫度實(shí)測(cè)值和理論值隨時(shí)間變化曲線

從圖8、圖9和圖10可以看出，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)的發(fā)展規(guī)律一致，實(shí)測(cè)值偏大的愿意在于冷卻水管有堵管現(xiàn)象，水流不足。

圖10　第二層澆筑后表面及中心溫度實(shí)測(cè)值和理論值隨時(shí)間變化曲線

第二次澆筑2m，取測(cè)點(diǎn)5、6、7點(diǎn)的平均溫度代表第二層混凝土表面溫度。測(cè)點(diǎn)8表示第二層混凝土核心溫度。本層冷卻水管流量穩(wěn)定，冷卻效果要好的多，見圖10和圖11。

圖11　第二層澆筑后表面及中心溫度實(shí)測(cè)值和理論值隨時(shí)間變化曲線

5　結(jié)論

通過本實(shí)例可以看出，在大體積混凝土施工過程中，合理布置冷水管，可以有效地降低混凝土的水化熱作用。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果說明了理論分析可信，表明利用有限元軟件MIDAS/Civil進(jìn)行大體積混凝土水化熱分析是可行的。在計(jì)算模擬的基礎(chǔ)上，進(jìn)行有效的監(jiān)控和采取相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)措施，可以避免混凝土因水化熱作用而引起的裂縫。

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U443.25

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1007-7359(2016)03-0162-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.03.059

陳青華（1978-），男，安徽阜陽人，畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)，本科，工程師。