關(guān)于某橋梁工程混凝土的溫度控制處理與研究

侯敏+陶燕+李立君+陳蓉+李淑國(guó)

摘要：大體積混凝土溫度控制技術(shù)最早應(yīng)用于大壩工程，目前水利部門在溫控計(jì)算方法、原材料與配比的選擇、骨料的人工冷卻、加冰拌合、通水降溫、保溫材料、溫控指標(biāo)的確定、養(yǎng)護(hù)以及配套機(jī)械設(shè)備等方面已形成了較為完善的體系。本文以某橋梁工程為例，介紹了溫度控制的計(jì)算方法，并對(duì)本工程的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了溫度場(chǎng)計(jì)算分析和應(yīng)力計(jì)算分析。望能夠?qū)σ院蟮臏乜毓こ套鞒鲆恍﹨⒖肌?/p>

Abstract： The mass concrete temperature control technology was first used in dam engineering. At present， the water conservancy department in the calculation method of temperature control， and the ratio of raw material selection， artificial aggregate cooling， ice mixing， cooling， heat insulation materials， the temperature indicators determining， maintenance and supporting equipment etc. has formed a more perfect system. Taking a bridge project as an example， this paper introduces the calculation method of temperature control， and analyzes and calculates the temperature field and stress calculation of the calculation result of this project， hoping to make some reference to control engineering later.

關(guān)鍵詞：橋梁工程；溫度控制；計(jì)算方法；結(jié)果分析

Key words： bridge engineering；temperature control；calculation method；result analysis

中圖分類號(hào)：U445.57 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）34-0108-05

1 工程概況

本工程的全橋跨徑組成為（5×30）m+（75+4×130+75）m，主橋?yàn)?跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁—?jiǎng)倶?gòu)組合體系，其中7#、8#、9#橋墩與主梁固結(jié)，6#、10#橋墩與主梁通過(guò)盆式支座連接，引橋?yàn)?跨30m預(yù)應(yīng)力混凝土先簡(jiǎn)支后連續(xù)T梁。主橋下部結(jié)構(gòu)橋墩采用實(shí)體板墩、鉆孔灌注基樁礎(chǔ)。主橋橋型布置圖見(jiàn)圖1。本橋梁按雙向四車道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，橋面總寬24.5m，橋面布置為：2×[0.5m（防撞護(hù)欄）+3.5m（非機(jī)動(dòng)車道）+2×3.75m（車行道）+0.5m（防撞護(hù)欄）]+0.5，橋面橫坡為雙向2.0%。主橋按雙幅橋布置，單幅橋?qū)?2.0m。

2 溫度控制指標(biāo)

大橋零號(hào)塊高標(biāo)號(hào)大體積混凝土溫度控制的主要指標(biāo)，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)，規(guī)定如下：

①混凝土入模溫度應(yīng)不低于5℃，且不宜超過(guò)28℃；

②混凝土澆筑體的里表溫差不宜大于25℃；

③混凝土澆筑體內(nèi)部最高溫度值不應(yīng)大于75℃；

④低溫季節(jié)拆模應(yīng)選擇氣溫較高時(shí)段并立即采取保溫措施；混凝土表面溫度與環(huán)境溫度之差大于15℃時(shí)應(yīng)推遲拆模時(shí)間；

⑤降溫速率宜不大于2℃/d。

3 相關(guān)參數(shù)應(yīng)用

3.1 溫度參數(shù)

數(shù)值計(jì)算中環(huán)境溫度取月平均氣溫。入模溫度估算時(shí)，砂石骨料的溫度也取月平均氣溫，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，在不采取人工制冷措施的情況下，實(shí)際入模溫度比澆筑時(shí)前幾天的平均氣溫高4℃-7℃左右。此外考慮到規(guī)范對(duì)入模溫度的限制要求，零號(hào)塊大體積砼溫控計(jì)算時(shí)各溫度參數(shù)的取值見(jiàn)表1。

3.2 混凝土熱力學(xué)參數(shù)

3.2.1 混凝土配合比

計(jì)算時(shí)，混凝土彈性模量及強(qiáng)度隨時(shí)間的發(fā)展變化，混凝土的絕熱溫升以及水泥水化熱等參數(shù)應(yīng)通過(guò)嚴(yán)格的試驗(yàn)確定。當(dāng)無(wú)試驗(yàn)資料時(shí)可根據(jù)規(guī)范及經(jīng)驗(yàn)取值。由施工單位提供的零號(hào)塊C55混凝土的配合比見(jiàn)表2，該配比的7天強(qiáng)度約55MPa，28天強(qiáng)度約65MPa。

3.2.2 混凝土的絕熱溫升

在無(wú)水泥水化熱等實(shí)驗(yàn)資料的情況下，參照朱伯芳的《大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制》中關(guān)于絕熱溫升的經(jīng)驗(yàn)公式：

Qt=

Q—每千克水泥最終水化熱量（kJ/kg），52.5級(jí)普通硅酸鹽水泥水化熱按經(jīng)驗(yàn)取值為350kJ/kg；

W—為每立方米混凝土中水泥的用量（kg/m3）；

k—折減系數(shù)，對(duì)于粉煤灰，可取k=0.25；

F—混合材用量（kg/m3）；

c—混凝土的比熱，一般取0.96kJ/kg·℃；

ρ—混凝土質(zhì)量密度，取2455.72kg/m3。

最后求出水泥水化熱絕熱溫升：Qt=65.6℃。

根據(jù)《大體積混凝土施工規(guī)范》（GB50496-2009）附錄B.1.4，熱源函數(shù)按如下公式計(jì)算：T（t）=（1-e-mt）

式中：T（t）—混凝土齡期為t時(shí)的絕熱溫升；

W—每方混凝土的膠凝材料用量；

C—混凝土的比熱，取0.96kJ/kg·℃；

ρ—混凝土的重力密度；

m—與水泥品種、澆筑溫度等有關(guān)的系數(shù)，反映了混凝土的發(fā)熱速率，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，在入模溫度分別取15℃、20℃、25℃、28℃時(shí)，m的取值分別為0.8、1.1、1.3、1.4。endprint

3.2.3 混凝土熱力學(xué)性能參數(shù)

混凝土物理、熱學(xué)性能參數(shù)選取見(jiàn)表3。

3.2.4 混凝土的彈模與強(qiáng)度

混凝土的強(qiáng)度及彈性模量隨時(shí)間的變化規(guī)律按Midas/Civil中的CEB-FIP規(guī)范取用。

3.2.5 混凝土收縮徐變

收縮徐變參數(shù)按按Midas/Civil中的CEB-FIP規(guī)范取用，其中環(huán)境相對(duì)濕度取70%。

3.2.6 邊界條件

零號(hào)塊四周及頂面與外界環(huán)境之間的熱對(duì)流邊界條件，初步根據(jù)不同月份采取的保溫措施按表1選用，人洞及箱室的內(nèi)模為木模，保溫效果較好，具體的表面放熱系數(shù)還應(yīng)根據(jù)溫度實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正。

建模時(shí)取部分墩身和零號(hào)塊一起計(jì)算，以模擬墩身對(duì)零號(hào)塊的約束作用，墩身底部偏安全的取為固定約束。

4 方案設(shè)計(jì)

溫控計(jì)算采用有限元橋梁專用程序Midas/Civil進(jìn)行，該程序用于溫控計(jì)算的有以下主要特點(diǎn)：

①該程序可以對(duì)施工期溫度場(chǎng)及仿真應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬分析；

②能夠考慮混凝土分層澆筑方式、入模溫度、澆筑層厚度、施工間歇、混凝土及基礎(chǔ)彈模變化、外界水溫及氣溫變化、混凝土向各種介質(zhì)進(jìn)行熱量散發(fā)及徐變收縮等復(fù)雜因素的模擬，能夠模擬實(shí)際的施工過(guò)程。

4.1 施工前的預(yù)測(cè)計(jì)算

在開(kāi)始施工之前，根據(jù)混凝土配合比、絕熱溫升、混凝土強(qiáng)度（抗拉及抗壓）、彈模的增長(zhǎng)曲線、混凝土比熱、熱傳導(dǎo)系數(shù)，以及施工方法、約束邊界條件和對(duì)流邊界條件等參數(shù)，在Midas/Civil的水化熱計(jì)算模塊中，建立施工的有限元仿真模型，并進(jìn)行模擬計(jì)算，得出大體積混凝土施工和養(yǎng)護(hù)過(guò)程中的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的初步結(jié)果，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，預(yù)先制定合理適當(dāng)?shù)拇篌w積混凝土表面養(yǎng)護(hù)和內(nèi)部降溫措施。

4.2 施工及養(yǎng)護(hù)過(guò)程中的預(yù)測(cè)計(jì)算

在開(kāi)始施工過(guò)程中，根據(jù)大體積混凝土實(shí)際的施工方法、約束邊界條件和對(duì)流邊界條件等參數(shù)，以及每階段的監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)有限元仿真模型進(jìn)行修正計(jì)算，再根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)大體積混凝土內(nèi)部溫度場(chǎng)的變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)需要隨時(shí)調(diào)整的大體積混凝土養(yǎng)護(hù)措施，嚴(yán)格控制表面混凝土的溫度梯度、內(nèi)部混凝土的內(nèi)外溫差和降溫速率，防止大體積混凝土產(chǎn)生有害裂縫。

5 計(jì)算結(jié)果及分析

零號(hào)塊的有限元仿真計(jì)算模型和各層混凝土的施工過(guò)程模擬見(jiàn)圖2。冷卻水管線路按照實(shí)際布置線路和位置模擬。各層混凝土的施工順序、間歇期、對(duì)流邊界、約束邊界等按照實(shí)際施工情況模擬。

零號(hào)塊厚8.0m，分兩次澆筑5.0m+3.0m，共11642個(gè)單元。

5.1 溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果及其分析

5.1.1 溫度計(jì)算結(jié)果

根據(jù)工程進(jìn)度安排和橋址區(qū)的氣溫條件，零號(hào)塊分15℃、20℃、25℃、28℃四種入模溫度工況進(jìn)行計(jì)算。溫度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4，以入模溫度20℃的工況為例，零號(hào)塊混凝土內(nèi)部最高溫度場(chǎng)分布云圖見(jiàn)圖3～圖4，芯部與表面等關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)的溫度時(shí)程曲線見(jiàn)圖5～圖6。

為了反應(yīng)冷卻水管的降溫效果，以入模溫度20℃為例，分布置冷卻水管與不布置冷卻水管兩種工況計(jì)算，見(jiàn)表5。

5.1.2 溫度場(chǎng)計(jì)算分析

①零號(hào)塊為高標(biāo)號(hào)大體積混凝土，水泥用量多，溫度峰值高，由計(jì)算可知，為了使最高溫度不超過(guò)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》的要求（不大于75℃），應(yīng)把入模溫度控制在不超過(guò)22℃。

②當(dāng)混凝土入模溫度為15℃～28℃時(shí)，零號(hào)塊各層混凝土的計(jì)算溫度峰值在入模溫度基礎(chǔ)上的溫升值為46.3℃～56.1℃，入模溫度高的，放熱速率快，溫升值也較高。

③當(dāng)由水泥水化引起的升溫速率與由內(nèi)部水管及表面對(duì)流引起的散熱速率相等時(shí)，混凝土即達(dá)到溫度峰值。由表4易知，各次澆筑的入模溫度越高，相應(yīng)的溫度峰值越大，且峰值增量大于入模溫度的增量，這主要是因?yàn)槿肽囟鹊纳邔?dǎo)致水化放熱速率加快，進(jìn)一步推高了溫峰值。

④入模溫度的升高，放熱速率加快，導(dǎo)致到達(dá)溫峰的時(shí)間提前，通水消峰的作用減弱，對(duì)溫控不利。

⑤與不布置冷卻水管相比，布置水管后，最高溫度降低8.3℃～9.9℃，約降低11%左右，而且到達(dá)溫峰的時(shí)間幾乎提前了一倍。

5.2 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果及其分析

5.2.1 應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

降溫階段應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6，以入模溫度20℃的工況為例，零號(hào)塊混凝土最大主拉應(yīng)力場(chǎng)分布云圖見(jiàn)圖7～圖8。

5.2.2 應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算分析

在降溫階段計(jì)算的最大主拉應(yīng)力為3.10MPa～3.48MPa，總體來(lái)講澆筑層厚的比澆筑層薄的拉應(yīng)力要大，入模溫度高的，拉應(yīng)力也較大。

計(jì)算過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在升溫階段最大主拉應(yīng)力分布在冷卻水管周圍，這主要是因?yàn)樯郎仉A段采用大流量通冷水以消減溫峰，導(dǎo)致水管周圍溫度梯度較大，自約束應(yīng)力偏大。不過(guò)升溫階段水泥的水化產(chǎn)物處在不斷生成的過(guò)程中，可不計(jì)該拉應(yīng)力的影響。但是降溫階段一定要注意通循環(huán)熱水，控制進(jìn)水溫度與芯部溫差滿足規(guī)范要求，減小水管周圍的溫度梯度。

降溫階段最大主拉應(yīng)力的分布主要取決于零號(hào)塊各組成部分因?yàn)榻禍夭灰恢滤鸬淖约s束情況，以及墩身和已澆筑第一次混凝土的外約束情況。零號(hào)塊第一次澆筑（5m）最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在頂面橫隔板與腹板交界處，主要是因?yàn)樵撎幭嗷ゼs束作用強(qiáng)且為多面散熱區(qū)域；墩身與底板交界面處，由零號(hào)塊的降溫收縮變形受到墩身的外在約束所致。零號(hào)塊第二次澆筑（3m）在降溫初期，最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在頂板順橋向中心附近，主要是因?yàn)榈诙螡仓炷恋慕禍厥湛s變形受第一次澆筑混凝土的外在約束，且薄的翼緣板受腹板的約束所致；在降溫后期，最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在頂板靠近橫隔板中間部位，因?yàn)樵撎庬敯逑鄬?duì)較?。?0cm），受橫隔板和兩腹板約束作用強(qiáng)，在溫度收縮等作用下，產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。

6 結(jié)論

①入模溫度對(duì)溫控影響很大，施工中應(yīng)注意盡可能降低入模溫度；布置冷卻水管對(duì)消減溫峰作用顯著，施工中應(yīng)按要求布置水管。

②若要減小溫度應(yīng)力，降低開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)盡量縮短層間澆筑間歇期，減小外界約束；優(yōu)化配合比降低絕熱溫升，降低入模溫度以降低溫峰，從而減小總的溫度收縮變形；

③加強(qiáng)表面保溫保濕養(yǎng)護(hù)，降低表面開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)；在暴露表面設(shè)置防裂鋼筋網(wǎng)，采用纖維混凝土以提高混凝土的抗裂能力和限制裂縫的發(fā)展。

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