混凝土結(jié)構(gòu)施工中采用冷卻水管減少裂縫效果及機理分析

郭兵文， 吳亞平*， 于天佑， 楊 枚， 金省華， 蔣 勇

(1. 蘭州交通大學土木工程學院， 蘭州 730070； 2.杭州鐵路設計院有限責任公司， 杭州 310000；3.浙江鐵道建設工程有限公司， 杭州 310000 ； 4.浙江地方鐵路開發(fā)有限公司， 杭州 310000)

混凝土的澆筑是鋼筋混凝土施工階段重要的組成部分，混凝土澆筑的好壞直接影響到結(jié)構(gòu)的受力性能。在澆筑的過程中，混凝土水化熱產(chǎn)生的熱量、澆筑的速度、施工順序及方法等都是影響混凝土澆筑質(zhì)量的主要因素，然而在大體積混凝土結(jié)構(gòu)的施工過程中，水化熱問題一直被工程界所關(guān)注。在20世紀30年代中期修建胡佛壩的時候[1-6]就開始了對水化熱溫度場的研究。

朱伯芳[7]把冷卻水管看成熱匯，在平均意義上考慮水管冷卻效果，提出了考慮水管冷卻效果的混凝土等熱傳導方程。 劉寧等[8]提出水管冷卻效應的有限元結(jié)構(gòu)模擬技術(shù)。楊秋玲等[9]用有限元分析程序Super SAP對大體積混凝土三維溫度場進行模擬計算，分析了大體積混凝土溫度場分布規(guī)律。孫江民等[10]針對鋼筋混凝土框架箱涵在施工過程中易產(chǎn)生裂縫的問題,分析探討了影響裂縫產(chǎn)生及開展的各種因素。由于混凝土澆筑后所產(chǎn)生大量的水化熱量，這些熱量聚集在混凝土內(nèi)部不易散失，由于涵洞體積較大，板較厚，僅僅通過表面來散失它在澆筑后水化熱產(chǎn)生的熱量還是不夠的，造成內(nèi)外溫差較大，產(chǎn)生較大的溫度應力，造成混凝土表面產(chǎn)生大量裂縫，故可以在混凝土內(nèi)部溫度較高位置添加降溫水管，將內(nèi)部不易散失的熱量通過循環(huán)的水帶走，減小內(nèi)外溫差，對于減小溫度應力，控制裂縫具有重要作用。目前中外對混凝土裂縫研究主要為混凝土的材料及混凝土內(nèi)部鋼筋對抗裂性能的改變，對于在混凝土內(nèi)部溫度較高位置添加不同距離的降溫水管，將內(nèi)部不易散失的熱量通過循環(huán)的水帶走，減小內(nèi)外溫差的研究還很欠缺，因此通過ansys數(shù)值模擬并結(jié)合相關(guān)現(xiàn)場試驗，給出了設置不同距離的降溫水管后混凝土溫度隨時間的變化圖，通過模擬計算來分析設置不同距離降溫水管后的應力狀況和混凝土的最佳降溫時間工況。以期對工程施工過程及其養(yǎng)護提供參考，以減少混凝土在澆筑過程中的裂縫的產(chǎn)生。

1 工程概況

寧波市環(huán)城南路、東外環(huán)輔道鐵路立交工程在邱隘站北侖聯(lián)絡K158+458.72、北環(huán)鐵路下行線KBH29+367.58處新建四孔(6.5+8.5+8.5+6.5) m框架在試驗現(xiàn)場選取東外環(huán)輔道下穿北環(huán)線節(jié)點三的A箱涵與B箱涵進行測量溫度與應力情況，該節(jié)點采用封閉式箱身形式下穿規(guī)劃興寧路和北侖聯(lián)絡線、北環(huán)線、預留甬舟鐵路，框架兩側(cè)接U槽結(jié)構(gòu)。鐵路箱身采用鐵路外預制頂進施工，架設24 m便梁防護線路，工作基坑設在鐵路南側(cè),由南至北平坡頂進，引道基坑范圍為DK0+042.5-DK0+251.002,總長208.522 m，寬39.5 m，形狀基本成長條形。

2 試驗過程

現(xiàn)場安裝底模及側(cè)模，綁扎底板鋼筋，安裝底板冷卻水管長度為30.9 m，兩端外露20 cm接頭焊接，鋼管與橡膠管采用三道卡子固定，B箱涵采用底板間距1 m縱向布置8根冷卻水管澆筑底板混凝土(如圖1)，A箱涵采用底板間距2 m縱向布置4根冷卻水管澆筑底板混凝土.待底板混凝土終凝后開通底板冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，采用CW610 0(Clod Welding)冷水機冷卻水溫，支側(cè)模以及頂板底膜，綁扎側(cè)壁和頂板鋼筋，安裝側(cè)板冷卻水管。A、B箱涵均采用鋼模板。

圖1 降溫水管示意圖Fig.1 Schematic diagram of cooling water pipe

3 數(shù)值模擬及有限元分析

3.1 數(shù)值模擬

針對寧波下穿鐵路框架橋A、B涵大體積混凝土兩種不同工況下的數(shù)值模擬，模擬當時的澆筑跟養(yǎng)護時現(xiàn)場溫度，將實際氣溫加到箱涵上，進行兩種不同工況的數(shù)值模擬，B箱涵采用1 m的間距布置降溫水管，A箱涵采用2 m的間距布置降溫水管。

針對框架橋的澆筑建立了ansys分析模型，在澆筑模擬中，進行分層澆筑，利用單元的生死控制混凝土的澆筑過程，首先將所有單元殺死，使其失效，當澆筑時，再依次將單元分層使其激活，用來模擬混凝土的澆筑過程，在混凝土的澆筑過程中，水化熱作為體荷載施加到單元節(jié)點上，混凝土澆筑過程中所產(chǎn)生的水化熱的放熱規(guī)律可利用朱伯芳提出的復合指數(shù)型：

Q(τ)=Q0(1-e-mτ)

(1)

式(1)中,Q(τ)為在混凝土澆筑τd時水泥產(chǎn)生的水化熱，kJ·kg-1，Q0為混凝土澆筑天數(shù)τ趨于無窮大時水化熱，kJ·kg-1；τ為混凝土澆筑天數(shù)；m為常數(shù)。

生熱速率為

(2)

式(2)中，m為常數(shù)，取m=0.69，W為單位體積混凝土水泥用量[kg·(m3)-1],HGEN為生熱速率，W·m-3，在ansys中通過Do循環(huán)將生熱率賦值于數(shù)值模型變量中，并直接施加到單元中，來求解溫度場。

在施加邊界條件時，模型底面采用絕熱邊界條件，在其他面上施加與空氣對流的邊界條件，在底板澆筑后，澆筑界面同樣也施加與空氣對流的邊界條件，底板澆筑完成后，澆筑上層混凝土，激活單元后需要將原先在澆筑界面施加的對流邊界條件刪除(如圖2)。

圖2 箱涵有限元模型Fig.2 Box culvert finite element model

3.2 有限元分析不同工況對混凝土溫度的影響

根據(jù)工況，混凝土的入模溫度設置為15 ℃，其他因素作為恒定量來研究不同距離設置降溫水管對混凝土溫度及應力的影響(如圖3～圖5)。

圖3 不同工況條件下混凝土溫度隨時間變化曲線Fig.3 Concrete temperature variation curve with timeunder different working conditions

圖4 不同工況條件下混凝土溫差隨時間變化曲線Fig.4 Temperature difference curve of concrete with timeunder different working conditions

圖5 工況一、二條件下混凝土應力隨時間變化曲線Fig.5 Curve of concrete stress changing with timeunder conditions one and two

由圖3可以看出兩種不同工況下頂板中部的溫度最高，內(nèi)側(cè)次之，外側(cè)最低。由圖3(a)可以看到頂板中部溫度從75～100 h之間混凝土產(chǎn)生大量的水化熱而使溫度升高，且在100 h左右達到最大峰值。中部溫度增加55 ℃，內(nèi)側(cè)增加到42 ℃，外側(cè)增加到33 ℃。而圖3(b)中看到頂板中部最高溫度在75 h達到最高的76 ℃，內(nèi)側(cè)溫度達到67.5 ℃而外側(cè)溫度達到47.5 ℃。

由圖4(a)溫差圖可以看出溫差較大時主要在72～240 h之間，當在100 h左右時溫差達到最大17.2 ℃，同樣，中外溫差曲線在中內(nèi)溫差曲線之上說明外側(cè)溫差較大，外側(cè)溫度較低。但兩條曲線相接近，說明中間對內(nèi)外的溫差變化不明顯，從圖4(b)溫差圖來看中外溫差變化較大，溫差最大時達到40 ℃。中內(nèi)溫差從75 h達到最大的7.5 ℃。中外溫差較大，溫度變化明顯，在48～210 h中外溫差都超過了20 ℃。中外與中內(nèi)溫差的差值最大相差30 ℃。

由圖5應力圖可以看到，工況一跟工況二的應力變化趨勢基本一致，側(cè)板外側(cè)一直為拉應力，前期應力增長較快，后期增長較慢，但一直保持應力增長趨勢。工況二所澆筑混凝土側(cè)板外表面應力前期的增長速率明顯快于工況一，當澆筑第300 h時，兩種工況澆筑條件下側(cè)板外表面應力增長均較小，工況二應力基本穩(wěn)定在2.1 MPa左右，工況一應力明顯低于工況二，并穩(wěn)定于1.5 MPa左右。兩種工況所澆筑的側(cè)板內(nèi)表面應力在前期會出現(xiàn)一定的壓應力，工況一在澆筑后75 h左右，壓應力達到最大值，約為0.5 MPa，而工況二在澆筑35 h左右達到最大，約為1.0 MPa。之后隨著混凝土整體溫度的降低，側(cè)板整體應力均表現(xiàn)為拉應力，且逐漸增大，同時側(cè)板內(nèi)側(cè)溫度高于外側(cè)溫度，側(cè)板內(nèi)表面應力始終低于外表面，因此會產(chǎn)生向外的翹曲現(xiàn)象，而工況二內(nèi)外溫差相對工況一來說更大，因此工況二比工況一在內(nèi)表面更容易裂縫。

4 現(xiàn)場試驗及結(jié)果分析

4.1 現(xiàn)場試驗

圖6 設置降溫水管Fig.6 Setting of cooling water pipe

冷卻水管采用DN254的無縫鋼管(如圖6)，由于墻內(nèi)鋼筋布設較多，且空間較小，考慮到混凝土澆筑時的振搗，水管豎向設置，由于在設置降溫水管后在混凝土澆筑時可能會出現(xiàn)水管堵塞的情況，因此，將水管并聯(lián)布設，盡可能增大可通水正常使用水管的長度，豎向水管下部通過與一縱向水平水管連接通水，在混凝土澆筑完后依次從頂部水管通水，檢查水管是否能正常通水使用，并將通水水管口每隔1 h左右進行改變。

4.2 試驗結(jié)果分析

結(jié)合有限元模擬分析結(jié)果，在試驗現(xiàn)場選取東外環(huán)輔道下穿北環(huán)線A箱涵與B箱涵進行溫度、應力測量情況，如圖7～12。

圖7 B箱涵設置降溫水管后溫度隨時間變化曲線Fig.7 Curve of temperature change with time aftercooling water pipe being set in B box culvert

圖8 A箱涵設置降溫水管后溫度隨時間變化曲線Fig.8 Curve of temperature change with time aftercooling water pipe being set in A box culvert

圖9 B箱涵設置降溫水管后混凝土應力變化Fig.9 Changes in concrete stress after cooling waterpipes being installed in B box culverts

圖10 B箱涵設置降溫水管后混凝土主應力變化Fig.10 Concrete stress change after cooling water pipe being set in B box culvert

圖11 A箱涵設置降溫水管后混凝土應力變化Fig.11 Concrete stress changes after cooling waterpipes being installed in A box culvert

圖12 A箱涵設置降溫水管后混凝土主應力變化Fig.12 Changes in concrete stress after cooling water pipes being installed in A box culverts

由圖9看出B箱涵在澆筑48 h左右溫度達到最高27 ℃。由圖10看出A箱涵在36 h左右達到最高60 ℃左右，B箱涵的最高溫度比A箱涵低了將近30 ℃。與數(shù)值模擬結(jié)果大致相似，且B箱涵的中外溫差在4 ℃左右而A箱涵的中外溫度達到20 ℃左右，這樣就導致造成A箱涵側(cè)板翹曲現(xiàn)象也更加明顯。而A、B箱涵的實際溫度比數(shù)值模擬的溫度更低，這是因為鋼模板對溫度的保溫效果也有一定的影響。

另外由圖9～圖12應力圖的結(jié)果來看，B箱涵在側(cè)墻外側(cè)拆模后粘貼應變花，得到各個測點的應力值，通過計算得到各個測點的應力及主應力。由于所貼應變片時已經(jīng)拆模之后，應力整體較小，應力表現(xiàn)為拉應力，且逐漸增大，在164 h左右應力達到峰值為1.6 MPa左右的拉應力。A箱涵應力峰值大于B箱涵的應力峰值，A箱涵在175 h左右應力達到最大的2.5 MPa左右的拉應力。且B箱涵的最大主拉應力約為0.003 5 MPa而A箱涵的最大主拉應力約為2.1 MPa。混凝土的極限拉應力約為2.0 MPa左右，因此A箱涵比B箱涵更容易產(chǎn)生裂縫。

在實際拆模后A箱涵產(chǎn)生了6條裂縫在每一邊側(cè)墻上出現(xiàn)3條裂縫(如圖13)，在側(cè)墻內(nèi)外側(cè)都可觀察到裂縫，且裂縫位置基本對應，尤其西面一側(cè)裂縫在墻內(nèi)外位置基本對應，此面?zhèn)葔α芽p均為豎直方向，在東側(cè)一面靠近洞口兩條裂縫方向出現(xiàn)傾斜，裂縫上端偏向洞口。A箱涵裂縫寬度為0.3～0.4 mm(如圖14)，而B箱涵沒有差生裂縫。

圖13 A箱涵裂縫方向示意圖Fig.13 Schematic diagram of crack direction inA box culvert

圖14 A箱涵裂縫寬度Fig.14 Crack width of A box culvert

A、B箱涵均采用鋼模板進行澆筑，且澆筑環(huán)境溫度相同。結(jié)合A、B箱涵的溫度，應力曲線，可以得出A箱涵裂縫產(chǎn)生的主要原因是溫差引起的。A箱涵采用2 m的間隔布置降溫水管，相對B箱涵，水管排布間距較大，水管帶走水化熱相對較少，降溫能力相對較弱，因此A箱涵最高溫度明顯高于B箱涵，在外部環(huán)境溫度相同的條件下，A箱涵內(nèi)外溫差相對較大，溫度應力也相對較大，因此更容易產(chǎn)生溫度裂縫。

其次，由A箱涵裂縫的分布位置可知，裂縫基本分布于水管布置位置，由此可知A箱涵水管的布置導致箱涵縱向最大拉應力集中于水管布置位置，致使箱涵在水管位置產(chǎn)生局部應力集中現(xiàn)象，從而產(chǎn)生溫度裂縫。

而B箱涵水管布置間距小于A箱涵，因此整體散熱能力相對較強，內(nèi)外溫差較小，同時應力集中現(xiàn)象相對較弱，因此B箱涵產(chǎn)生溫度裂縫的可能性較小。

5 結(jié)論

(1)在混凝土內(nèi)部設置降溫水管，流動的水可以帶走一部分混凝土中由于水化熱作用產(chǎn)生的熱量，明顯有效地降低混凝土內(nèi)部的溫度，減小內(nèi)外溫差。

(2)通過A、B箱涵不同距離來布置降溫水管的效果來看，布置間距越小降溫越明顯，但考慮到經(jīng)濟效應與現(xiàn)場的施工的方便，間距布置為1 m對抑制裂縫的產(chǎn)生有明顯的效果。

(3)在應力場分析中，布置間距為1 m的降溫水管產(chǎn)生的主拉應力為0.003 5 MPa遠遠小于間距布置為2 m的主拉應力2.1 MPa，且小于混凝土的極限拉應力2.0 MPa。過快的降溫使箱涵混凝土承受較大的拉應力且應力集中導致混凝土產(chǎn)生裂縫。