拱座大體積混凝土管冷溫控分析

陳 亮，王牧麒

(1.中鐵二局第五工程有限公司，四川成都 610031;2.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

1 大體積混凝土施工溫控

近年來鋼管混凝土拱橋因其外觀、力學(xué)性能和施工性能的有點在橋梁建設(shè)中得到廣泛的運用和快速的發(fā)展。但拱座部位因需要承受主拱的所有荷載，其結(jié)構(gòu)尺寸往往較大且為混凝土結(jié)構(gòu)，隨之其在澆筑過程中混凝土水化反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱量。

大量的水化熱將使結(jié)構(gòu)溫度升高，但由于結(jié)構(gòu)外部與大氣接觸散熱較快，而內(nèi)部為封閉空間僅靠混凝土自身傳熱散失熱量，在這一條件下，內(nèi)外產(chǎn)生溫差，從而使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，若這一拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強度[1-2]，則結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生裂縫，而這類裂縫往往為貫穿性的，將嚴重影響拱座結(jié)構(gòu)的承載能力和耐久性。

目前國內(nèi)外學(xué)者對大體積混凝土施工進行了不少的水化熱效應(yīng)分析和試驗研究，取得了一定的成果。文獻[3]中對鋼管混凝土拱腳位置的水化熱進行了研究[3]，得到在分層澆筑的施工方法下單次澆筑1 m高度時可以有效減小拱腳截面內(nèi)外溫差，其最大拉應(yīng)力較同期一次澆筑的混凝土減小25 %。文獻[4]中對形狀規(guī)則的尺寸為24.6 m×24.6 m×6 m的承臺一次澆筑并結(jié)合管冷溫控條件下的大體積混凝土水化熱進行了研究[4]，得到了在控制澆筑速度較慢持續(xù)幾天以上，使先澆部分已開始降溫條件下可行的管冷溫控措施。

上述研究主要針對分層澆筑的拱腳、形狀規(guī)則的單次緩慢澆筑形狀規(guī)則的承臺等大體積混凝土施工溫控措施進行了研究。尚未對分層厚度較大且快速澆筑施工方法下形狀不規(guī)則拱座部位的大體積水化熱進行分析。拱座是拱橋受力情況最為復(fù)雜的部位[5-10]，體積大且不規(guī)則，若需控制在較短時間內(nèi)完成總體厚度達15.8 m、最大分層厚度達8.36 m以上的混凝土結(jié)構(gòu)澆筑，分析并制定相應(yīng)的管冷溫控措施是非常重要的。

2 工程簡介

本文以某高速公路上承式鋼管拱橋為背景，研究在拱座混凝土澆筑施工期間混凝土水化熱效應(yīng)。

全橋立面布置圖如圖1所示。主橋采用主跨258 m上承式鋼管混凝土拱橋，引橋采用簡支梁橋，主橋和引橋均采用鋼-混凝土組合梁，跨中樁號YK30+998.0，橋梁配跨為(4×20+258+4×20) m，橋計算矢高約56.08 m，橋長444.96 m。橋梁縱坡為2.5 %，左右幅橋面橫坡-2.0 %，整幅橋面寬25.0 m。

圖1 全橋立面

拱座設(shè)計為階梯式擴大基礎(chǔ)，直接與基巖接觸部分分為左右幅獨立的兩部分，不配置鋼筋，采用C30混凝土；在拱座頂部位置設(shè)置一道截面為300 cm×500 cm的鋼筋混凝土梁將對立的兩部分連接為一個整體；拱座與鋼管拱肋連接區(qū)域為C40鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。拱座結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示。

拱座混凝土分層分塊澆筑，共分四次澆筑完成。拱座基礎(chǔ)部分采用C30混凝土分三層澆筑，最大澆筑高度7.44 m，第一層澆筑至拱座底面位置；第二層澆筑至拱座聯(lián)系梁底面；第三層與拱座聯(lián)系梁一同澆筑至基礎(chǔ)頂面。待拱座基礎(chǔ)混凝土模板拆除后，再澆筑拱座混凝土，采用C40混凝土，澆筑高度8.36 m。

圖2 拱座立面(單位：cm)

3 混凝土溫度應(yīng)力產(chǎn)生原理及影響因素

混凝土結(jié)構(gòu)在施工過程中，在水泥和外界邊界條件的共同作用下混凝土結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生以下兩種現(xiàn)象：首先是水泥的水化速率大于結(jié)構(gòu)表面的散熱速率，結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度上升，結(jié)構(gòu)體積膨脹產(chǎn)生壓應(yīng)力[10-13]，但此時混凝土齡期較短彈性模量較小，徐變較大，升溫引起的壓應(yīng)力很小[13-15]；然后是隨著水泥水化熱速率達到峰值后的降低，結(jié)構(gòu)表面散熱速率大于結(jié)構(gòu)內(nèi)部水化熱速率，構(gòu)件表面溫度降低速率大于內(nèi)部降溫速率，內(nèi)外產(chǎn)生不同程度的收縮變形，此時混凝土齡期較長，彈性模量較大，徐變較小，在一定的邊界條件的約束下，產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，這種現(xiàn)象在大體積混凝土的施工中尤為明顯[15-18]。

混凝土結(jié)構(gòu)溫度變化的影響因素主要為水泥的水化熱、入模溫度、出機溫度、混凝土導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、容重、構(gòu)件尺寸、混凝土與介質(zhì)對流系數(shù)、環(huán)境溫度及邊界條件等。

4 溫控計算理論

4.1 混凝土水化熱熱量計算

混凝土水化熱為水泥水化過程中產(chǎn)生的熱量，因水泥與水發(fā)生化合反應(yīng)非一次完成，而與時間發(fā)展有關(guān)，水泥水化熱產(chǎn)生的熱量隨時間而變化的公式為:

Qτ=Q0(1-e-mτ)

(1)

其中，Qτ為齡期τ時累計產(chǎn)生的水化熱，kJ/kg；Q0為τ→時最終水化熱，kJ/kg；τ為齡期；m為水化熱系數(shù)隨溫度不同而不同，本橋拱座混凝土澆筑時約在25 ℃～30 ℃之間，根據(jù)文獻[1]m取0.384。

4.2 環(huán)境溫度及固定溫度

4.2.1 環(huán)境溫度

大橋地處浙江省溫州市泰順縣附近，泰順縣歷史全年平均溫度如圖3所示，因澆筑時間為夏季，故取7月平均最高溫度32 ℃。

圖3 泰順縣全年平均溫度走向

4.2.2 固定溫度

拱座被包于圍巖中，考慮到混凝土的傳熱能力，以及根據(jù)地層溫度的分布規(guī)律1～2 m范圍為日溫度變化帶(受地表溫度影響)，2～20 m為年溫度變化帶(受季節(jié)溫度影響)，所以圍巖厚度取3 m。故圍巖固定溫度取泰順縣夏季平均溫度30 ℃。

4.3 對流系數(shù)函數(shù)

混凝土澆筑后頂部與空氣接觸表面采用20 mm礦物棉保溫，側(cè)面支模部分利用鋼模板保溫。由于鋼模板采用6 mm鋼板，即支模面保溫層厚度為6 mm鋼板。故本計算書需驗算頂部礦物棉保溫層對流系數(shù)。文獻[1]中指出混凝土表面向保溫介質(zhì)放熱的總放熱系數(shù)(不考慮保溫層的熱容量)[1]，可按下式計算：

(2)

式中：βs為總放熱系數(shù)，單位kJ/(m2·h·℃)；Rs為保溫層總熱阻，單位m2·h·℃/kJ。

保溫層總熱阻可按下式計算：

(3)

式中：δi為第i層保溫材料厚度，單位m；λi為第i層保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，單位kJ/(m·h·℃)；βu為固體在空氣中的放熱系數(shù)，kJ/(m2·h·℃)。

4.4 管冷參數(shù)

冷卻水比熱容4.2 kJ/(kg·℃)，容重10 kN/m3，流入溫度根據(jù)泰順7月平均最高溫度32 ℃以及現(xiàn)場冷卻水溫度控制經(jīng)驗取28 ℃，流量取129.2 cm3/s。冷卻管采用φ42×2.5 mm鋼管，間距1 m，對流系數(shù)可按公式(4)計算：

Hp=4.75×v+43

(4)

式中：Hp為冷卻管的對流系數(shù)，單位(kJ/(m2·h·℃))；v為流速，單位cm3/s。

5 拱座大體積混凝土水化熱分析

5.1 一般隔熱保溫措施大體積混凝土水化熱分析

利用有限元軟件Midas Civil水化熱分析模塊，對僅有保溫措施條件下的每層拱座水化熱所形成的的瞬態(tài)溫度場進行計算，本文僅展示澆筑厚度達8.36 m且形狀不規(guī)則的第四層C40部分計算分析結(jié)果。選取其特征點得到如下溫度和應(yīng)力隨齡期的變化趨勢圖(圖4、圖5)。

圖4 拱座溫度變化曲線

圖5 拱座應(yīng)力變化曲線

根據(jù)圖4、圖5可看出：

(1)當澆筑厚度較大僅在普通保溫措施而無冷卻管條件下，拱座混凝土溫度隨齡期的發(fā)展，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，符合一般大體積混凝土結(jié)構(gòu)的施工溫度變化特征。最高溫度出現(xiàn)在中部點，達到91.1 ℃，JTG/TF 50-2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》要求的最高溫度不超過75 ℃。

(2)各特征點均出現(xiàn)最大溫度值，且越靠近頂面和地基接觸的側(cè)面出現(xiàn)最大溫度的齡期越早。靠近表面的點出現(xiàn)最大溫度時間為48 h，結(jié)構(gòu)內(nèi)部點出現(xiàn)最大溫度時間為144 h。每伸入1 m約滯后19.2 h，這是因為內(nèi)部熱量散失較表層慢，表層混凝土水化熱速率先比內(nèi)部混凝土水化熱速率小于混凝土散熱速率，故表層混凝土率先出現(xiàn)降溫拐點。

(3)從特征點之間的溫差來看，在澆筑完成到24 h后，溫差明顯增大。在48 h后超過JTG/TF 50-2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》內(nèi)表溫差不得大于25 ℃的要求，且最大內(nèi)表溫差發(fā)展至41 ℃。

(4)從應(yīng)力變化曲線在240 h，頂面表層點其拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強度容許值，即頂面表層混凝土產(chǎn)生開裂，但側(cè)面因有地基巖層的約束，產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力而未開裂，故符合一般大體積混凝土開裂規(guī)律。

由此可看出，若僅采取一般隔熱保溫措施，在短時間內(nèi)完成分層厚度較大的大體積混凝土澆筑是存在較大開裂風(fēng)險的。故需采取相應(yīng)的管冷措施，以控制大體積混凝土水化熱效應(yīng)。

5.2 增加管冷措施的大體積混凝土水化熱分析

同樣采用澆筑厚度最大的C40部位，選取其特征點得到如下溫度和應(yīng)力隨齡期的變化趨勢圖以及不同施工方法主要結(jié)果對比(圖6、圖7、表1)。

圖6 管冷作用下拱座溫度變化曲線

圖7 管冷作用下拱座應(yīng)力變化曲線

從圖6、圖7和表1中可見：

(1)采用管冷和保溫隔熱措施后，單次澆筑厚度較大的拱座混凝土較僅采取隔熱保溫措施：最高溫度降低18.9 ℃；最高溫度出現(xiàn)時間加快96 h。這是因為內(nèi)部混凝土水化熱因冷卻水管增大了其降溫速率，使降溫速率大于混凝土水化熱速率的時間提前，從而使溫度曲線出現(xiàn)拐點的時間提前。

表1 不同溫控措施特征點主要結(jié)果對比

(2)采用管冷和保溫隔熱措施后，單次澆筑厚度較大的拱座混凝土較僅采取隔熱保溫措施：最大內(nèi)外溫差降低26.1 ℃；最大內(nèi)外溫差出現(xiàn)時間加快288 h。這是因為：表層混凝土因隔熱保溫材料降低了其散熱速率，使其溫度拐點延后，水化熱產(chǎn)生的熱量有更多時間使表層混凝土溫度升高；內(nèi)部混凝土因冷卻水管提高了其散熱速率，使其溫度拐點提前，水化熱產(chǎn)生的熱量使內(nèi)部混凝土溫度升高的時間減少。在兩兩相互比較下，有效的降低了內(nèi)外溫差和加快了最大內(nèi)表溫差出現(xiàn)時間。

(3)在冷卻管作用下，混凝土最高溫度均出現(xiàn)在48 h附近，與采取普通隔熱保溫措施下，內(nèi)表最高溫度出現(xiàn)的時間間隔縮短。這是因為，在管冷措施下，內(nèi)部降溫速率增大，外部因有隔熱保溫措施，降溫速率增量較小，故兩者最高溫度出現(xiàn)時間間隔縮短。在12 h之前兩種施工方法中混凝土溫度增量相差較小。這是因為在12 h前，混凝土為發(fā)展至終凝階段，此時散熱速率均勻且較大。但超過24 h后，內(nèi)部混凝土溫升速率明顯大于表層混凝土溫升速率。

(4)第四層內(nèi)部靠近底面點在相同降溫速率降溫至160 h后，降溫速率減慢，這是因為第四層下部的第三層混凝土依然在產(chǎn)生緩慢的水化熱，并且因第三層頂層冷卻水管較與第四層底層冷卻水管間距大于2 m，冷卻效果減弱。

兩種施工方法下最高溫度出現(xiàn)時間的溫度場如圖8、圖9所示。

圖8 隔熱保溫施工拱座48h溫度場/℃

圖9 管冷+隔熱保溫施工拱座48h溫度場/℃

由圖8和圖9可看出，冷卻水管在1 m間距布置情況下，可有效減小其最高溫度。由圖9在拱座斜面位置，溫度降低較快。這是因為因每層冷卻管在拱座漸變部位順其走勢布置，導(dǎo)致前端冷卻水管層間距減小至20 cm，布置密集，此處混凝土散熱速率過快，造成內(nèi)表溫差過大，從而此處拉應(yīng)力過大，同樣會使混凝土產(chǎn)生開裂。

6 結(jié)論

本文以浙江省某高速公路上承式鋼管混凝土拱橋為背景，采用Midas Civil對拱座部位大體積混凝土在不同施工方法下的水化熱進行分析，得出以下幾點結(jié)論：

(1)拱座大體積混凝土在澆筑后隨齡期的發(fā)展，溫度呈上升至拐點后下降趨勢，具有一般大體積混凝土水化熱溫度曲線的典型特征。

(2)采用普通隔熱保溫，但分層澆筑厚度較大的情況下，拱腳混凝土最高溫度出現(xiàn)在第144 h，最大溫差大于25 ℃出現(xiàn)在48 h后。拱座混凝土拉應(yīng)力超過容許值在澆筑240 h后，此時大體積混凝土開裂。

(3)采用管冷和隔熱保溫的施工方法，能有效降低混凝土內(nèi)部的最高溫度和最大內(nèi)表溫差，較僅隔熱保溫的施工方法可降低最高溫度18.9 ℃和降低最大內(nèi)表溫差41.1 ℃。

(4)對于分層厚度較大的大體積混凝土管冷布置間距在50 cm以上但不易過大，在0.5～2 m范圍內(nèi)可達到理想的大體積混凝土溫控措施。

(5)冷卻水管最佳通水時間段為澆筑后的12 h左右，但不宜超過24 h，24 h后內(nèi)表混凝土溫升速率呈現(xiàn)明顯的分化。