溫塘特大橋主橋承臺大體積混凝土水化熱全過程仿真分析

張曉林，王德明

（中交路橋華東工程有限公司，上海201203）

1 工程概況

溫塘特大橋主橋采用95m+180m+95m 連續(xù)鋼構(gòu)，為預(yù)應(yīng)力混凝土變截面懸澆箱梁，4 號和5 號主墩采用雙肢薄壁墩，左右幅合設(shè)一個承臺，平面尺寸為26m×17m，厚度為5m，采用C30 混凝土，墊層采用C25 混凝土。模板采用組合鋼模板，一次澆筑成型施工工藝。采取混凝土內(nèi)布設(shè)冷卻水管，承臺頂蓄水養(yǎng)護及承臺側(cè)模覆蓋保溫層的措施確保大體積承臺的質(zhì)量。

2 模型的建立

2.1 材料特性

承臺采用C30 混凝土，配合比（kg/m3）為∶水泥∶粗骨料∶細骨料∶水∶外加劑∶摻合料=179∶1073∶810∶158∶3.59∶180；墊層采用C25 混凝土。

2.2 混凝土的熱力參數(shù)

混凝土物理熱學(xué)特性參數(shù)如表1 所示。

表1 混凝土物理熱學(xué)特性參數(shù)

2.3 邊界條件

水化熱分析的邊界條件分為有限元模型位移邊界條件和熱傳導(dǎo)分析邊界條件。其中，熱傳導(dǎo)分析邊界條件包括單元對流邊界、單元固定溫度邊界以及與熱傳導(dǎo)分析相關(guān)的環(huán)境溫度函數(shù)、對流系數(shù)函數(shù)和熱源函數(shù)[1]。

2.3.1 環(huán)境溫度函數(shù)

環(huán)境溫度對承臺混凝土溫度的影響非常顯著，因為原材料初始溫度、混凝土料運輸入倉、澆筑層的邊界散熱均受到環(huán)境溫度的直接影響[2]?？梢哉f除水泥水化熱外，氣溫是直接影響混凝土溫度的最主要因素。氣溫的變化會對混凝土的溫度產(chǎn)生較大的影響，也是引起混凝土裂縫的重要原因，并成為計算溫度應(yīng)力和制定溫控措施的重要依據(jù)[3]。

考慮到溫塘特大橋承臺大體積混凝土的施工時間在12 月中旬至1 月之間，參考歷史氣象資料，統(tǒng)計得到近3～4 年的月平均氣溫，如表2 所示。

表2 近年氣象資料統(tǒng)計℃

2.3.2 對流系數(shù)函數(shù)

對流系數(shù)函數(shù)反映了流體與固體表面之間的換熱能力。表面對流系數(shù)的數(shù)值與換熱過程中空氣的物理性質(zhì)、換熱表面的形狀、部位、表面與空氣之間的溫差以及空氣的流速等都有密切關(guān)系。物體表面附近空氣的流速愈大，其表面對流系數(shù)也愈大。固定表面在空氣中的放熱系數(shù)與風(fēng)速有關(guān)，其在空氣中的散熱系數(shù)可用公式估算：β=23.9+14.5Va（式中，Va為風(fēng)速，m/s）。當固體表面采取了保溫措施，可以根據(jù)保溫材料的相關(guān)參數(shù)換算等效對流系數(shù)[4]。

2.3.3 熱源函數(shù)

熱源函數(shù)一般可以根據(jù)混凝土的配合比進行絕熱溫升測試，試驗依據(jù)DL/T 5150—2001《水工混凝土試驗規(guī)程》絕熱溫升方法進行，承臺施工用C30 混凝土，參考配合比參數(shù)，7d 絕熱溫升取44.8℃（見圖1）。

圖1 C30 混凝土絕熱溫升擬合曲線

2.3.4 初始溫度條件

初始溫度即為混凝土的入模溫度。入模溫度越高，導(dǎo)致峰值溫度越高，容易出現(xiàn)過大內(nèi)外溫差。但入模溫度過低，則易導(dǎo)致混凝土難以初凝。根據(jù)現(xiàn)場施工條件，可采取有效措施控制混凝土的入模溫度在15℃以內(nèi)[5]，但建議最低溫度不得低于8℃。因此，計算時取入模溫度為15℃。

2.3.5 溫度條件

橋址區(qū)域?qū)賮啛釒嘏瘽駶櫄夂?，年均降雨量? 200～1 430mm，年均蒸發(fā)量1 350～1 650m，年平均氣溫16.5～17.5℃，極端最高氣溫40.1℃，極端最低氣溫-12.1℃，年平均風(fēng)速1.5～2.2m/s，最大風(fēng)速40m/s。因此，計算分析時，按照該溫度條件進行計算。

2.3.6 冷卻水管

冷卻管布置為4 層，分別在80cm、190cm、300cm、410cm處，每層布置1 根環(huán)形管，以及2 根核心冷卻管；冷卻管水平管間距為100cm，距離混凝土表面100cm，距離混凝土側(cè)面100cm，具體參數(shù)如表3 所示。

表3 冷卻水管參數(shù)

現(xiàn)場制作2 個水箱，一個作為冷循環(huán)水箱，為承臺提供冷卻水；另一個作為儲水箱，用于收集承臺排出的循環(huán)水。循環(huán)水箱容積大于5m3，與承臺頂面要保證水頭差在5m 以上，保證冷卻水有足夠的水頭差。如條件不具備，則采用分水器加壓。儲水箱置于承臺冷卻水管出水口處，容積大于2m3。儲水箱和循環(huán)水箱采用水泵相連。

現(xiàn)場同時配備6 臺15kW 的水泵，其中2 臺用于抽取水到冷循環(huán)水水箱中，2 臺用于抽回收循環(huán)水水箱中熱水到冷循環(huán)水水箱中，2 臺備用。冷卻水管采用φ50mm×2.5mm 型，每根水管進出水分別進行編號，進水口設(shè)置單獨的閥門，以控制流量?；炷辽郎仄谥比±渌鳛槔鋮s水，混凝土降溫期采用溫水作為循環(huán)水，并控制進水溫度與混凝土內(nèi)部溫度之差≤25℃。溫水的來源為儲水箱溫水抽回至循環(huán)水箱混合。若循環(huán)水進水溫度不滿足要求，采用大功率電熱水器或者鍋爐燒熱水補充熱循環(huán)水

實施過程：混凝土澆筑前進行不短于30min 的加壓通水試驗，查看水流量大小是否合適，發(fā)現(xiàn)管道漏水、阻水現(xiàn)象及時修補至可正常工作。第1 層混凝土澆筑開始即開通第1 層水管，混凝土覆蓋第2 層冷卻水管即開通2 層水管。第2 層混凝土澆筑開始即開通第3 層水管，混凝土覆蓋第4 層冷卻水管即開通第4 層水管。混凝土升溫階段初始采用直取冷水降溫，水量約為2～2.5m3/h；混凝土溫度超過一定值后利用冷卻管的出水補充熱水控制進水溫度與內(nèi)部最高溫度差≤25℃。降溫期間控制降溫速率≤2℃/d。如降溫速率過快，則酌情調(diào)小閥門，控制流量。

3 有限元模型

根據(jù)上述混凝土熱工參數(shù)，環(huán)境溫度，混凝土入模溫度，冷卻水管通水溫度條件，以及擬采取的混凝土表面保溫措施等，進行混凝土水化熱溫度場和應(yīng)力場計算分析。采用六面體網(wǎng)格單元，兼顧計算效率和分析精度，承臺劃分3.75×104單元數(shù)，建立封底混凝土層厚度，考慮了封底混凝土層對承臺底部混凝土的熱傳導(dǎo)性能的影響，同時計算時考慮了混凝土收縮徐變對溫度應(yīng)力場的影響。模型如圖2 所示。

圖2 溫塘特大橋主墩承臺有限元模型圖

針對承臺實際情況，分析工況如下：承臺一次澆筑成型，布設(shè)4 層冷卻水管，承臺頂面蓄水保溫，側(cè)壁鋼模覆蓋保溫對流系數(shù)采用25kJ/（m2·h·℃），頂面蓄水養(yǎng)護對流系數(shù)采用15kJ/（m2·h·℃），入模溫度15℃，環(huán)境溫度按照施工時間取值，混凝土絕熱溫升44.8℃。

節(jié)點的溫度時程曲線可以有效反映關(guān)鍵控制節(jié)點溫度隨承臺水化熱進程的變化過程；在核心溫度區(qū)域和分層澆筑表面布置典型的溫度監(jiān)控點，監(jiān)控施工全過程關(guān)鍵控制節(jié)點的溫度變化情況[6]。

節(jié)點的應(yīng)力時程曲線可以有效反映關(guān)鍵控制節(jié)點應(yīng)力隨承臺水化熱進程的變化過程；在核心應(yīng)力區(qū)域和分層澆筑表面布置典型的應(yīng)力監(jiān)控點，監(jiān)控施工全過程關(guān)鍵控制節(jié)點的應(yīng)力變化情況。承臺的應(yīng)力監(jiān)控點同溫度監(jiān)控點。承臺的溫度、應(yīng)力監(jiān)控點分布情況如圖3 所示。

4 分析計算結(jié)果

4.1 溫度結(jié)果

承臺關(guān)鍵節(jié)點溫度計算結(jié)果如表4 所示。

圖3 承臺溫度、應(yīng)力監(jiān)控點分布情況

表4 承臺溫度結(jié)果

4.2 應(yīng)力結(jié)果

承臺關(guān)鍵節(jié)點應(yīng)力計算結(jié)果如表5 所示。

表5 承臺應(yīng)力計算結(jié)果

經(jīng)建模分析計算，承臺最大峰值溫度為53.7℃，最大內(nèi)外溫差＜25℃，應(yīng)力安全系數(shù)＞1.4，滿足溫控規(guī)范要求。

5 結(jié)語

以溫塘特大橋主橋大體積混凝土承臺為背景，充分考慮了工點施工的實際因素，通過三維有限元軟件嚴謹合理地進行水化熱全過程仿真分析，確保了結(jié)構(gòu)安全，降低了施工風(fēng)險，保證了施工質(zhì)量，為下步施工工序奠定了堅實基礎(chǔ)，也為后續(xù)的類似工程提供相應(yīng)的經(jīng)驗。