墩臺大體積混凝土澆筑溫度應力仿真分析
——以某大體積混凝土墩臺為例

張 萌，李劉雙

(廣東省水利水電第三工程局有限公司，東莞 523710)

1 工程概況

揭陽市某項目墩臺設計為水中高樁墩臺，由兩端異形墩臺與中間條形系梁組合成啞鈴狀，單個墩臺外形尺寸為16.5 m×56.27 m，厚為5.0 m。中間系梁寬為8 m，與墩臺等厚5.0 m，墩臺和系梁采用C40混凝土，共3 782.5 m3。墩臺底部設計1 m高C20封底混凝土，單個墩臺封底混凝土為668.2 m3。墩臺設計參數見表1、結構尺寸見圖1。

表1 墩臺設計參數

圖1 墩臺結構尺寸示意(單位：mm)

墩臺結構屬大體積混凝土，施工中應采取工藝技術措施(如優化混凝土配合比，調整粉煤灰和水泥摻量，控制砼入倉溫度、對結構采取“內部降溫、外部蓄熱”養護等有效辦法)，同時需對大體積混凝土整個澆筑及養護過程進行溫度檢測，重點控制養護過程中墩臺混凝土結構的里表溫差不大于25 ℃[1]，防止因為里表溫差過大產生溫度裂縫[2]。

2 氣象資料

工程處于亞熱帶季風氣候區，日照充足雨量充沛，終年無雪少霜，年平均氣溫為21.4 ℃。年平均降雨量在1 351～2 144 mm之間，雨季為4—9月，平均在258～432 mm之間。近5年8—11月最高、最低氣溫統計見表2所示。

表2 揭陽市近5a 8—11月最高、最低氣溫統計 ℃

3 溫度應力仿真計算

3.1 設計資料

墩臺混凝土采用C40混凝土，選用P.O 42.5R水泥，配合比見表3，砼結構劈裂抗拉強度試驗結果見表4，混凝土物理熱學性能參數見表5。

表3 墩臺混凝土參考配合比 kg/m3

表4 混凝土劈拉強度試驗值 MPa

表5 大體積混凝土物理熱學性能參數

3.2 計算公式模型

1) 絕熱溫升

絕熱溫升數值模型取雙曲線函數[4]：

Q(τ)=Q0(1-e-ατβ)

(1)

式中：

Q0——最終絕熱溫升；

α，β——絕熱溫升變化系數。

2) 彈性模量

彈性模量隨時間的增長曲線采用四參數雙指數形式[4]，即

E(τ)=E0+E1(1-e-ατβ)

(2)

式中：

E0——初始彈性模量;

E1——最終彈性模量與初始彈性模量之差;

α,β——與彈性模量增長速率有關的兩個參數。

3) 徐變度

根據施工經驗，取混凝土徐變度如下(單位：10-6/MPa)：

C(t,τ)=C1(1+9.20τ-0.45)(1-e-0.30(t-τ))+C2(1+1.70τ-0.45)(1-e-0.005(t-τ))

(3)

式中：

E2——最終彈性模量[5]；

C1=0.23/E2，C2=0.52/E2。

4) 放熱系數

砼表面等效放熱系數根據下式計算：

(4)

式中：

βs——等效放熱系數;

β——放熱系數;

hi——保溫層厚度;

λi——保溫材料導熱系數。

該結構側模采用5 mm鋼板，鋼板外覆蓋約2 mm的塑料薄膜進行保溫[6]，λ鋼板取163.29 kJ/(m·h·℃)，β空氣=76.7 kJ/(m·h·℃)，β塑料薄膜=0.23 kJ/(m·h·℃)。

由式(4)得出等效β側面=46 kJ/(m2·h·℃)。

該結構頂面覆蓋約5 mm的土工布進行保溫，β土工布=1.34 kJ/(m·h·℃)，由式(4)得出等效β表面=60 kJ/(m2·h·℃)。

3.3 澆筑溫度

采用《水運工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術規程》(JTS 202-1-2010)附錄中的公式對該工程墩臺混凝土計劃澆筑月份(8—11月)的混凝土出機口溫度進行估算，配合比采用表3中的參考配合比。通過控制水泥、粗細集料、拌合水等原材料溫度，使水泥罐內水泥溫度不大于60 ℃、粉煤灰溫度不大于40 ℃[7]。估算處不同月出機口溫度結果見表6。

表6 不同月份出機口溫度估算

根據施工計劃，施工時間預計在8—11月，平均氣溫在21.1℃～30.1 ℃，8月和9月需要增加制冷水和碎冰拌和措施，10月需采取冷水拌和，控制混凝土入倉溫度不大于30 ℃[8]。仿真計算時墩臺按最不利工況因素考慮，澆筑溫度取30 ℃。

3.4 模型參數

1) 入模溫度：墩臺澆筑溫度按照30 ℃計算。

2) 環境溫度：墩臺施工日期預設為2020年8—11月，參考橋址所在地月平均氣溫，并考慮在夜間施工，環境溫度取26±4 ℃。

3) 散熱系數：墩臺側面散熱系數取46 kJ/(m2·h·℃)，頂面散熱系數取60 kJ/(m2·h·℃)。

4) 間隔期：墩臺2層間隔期為7 d。

5) 分層分塊[9]：單座墩臺按設計要求分層分塊進行，先施工兩端異形墩臺，再施工中間條形系梁；墩臺豎向分兩層施工，第1層3 m，第2層2 m；

6) 冷卻水管：墩臺混凝土冷卻水管沿厚度方向共布置5層，直徑為Φ42.25 mm，豎向每米布置一層，每層水管橫向間距為1.2 m，采用循環水箱，計算考慮冷卻水管的影響。

7) 基礎約束：墩臺混凝土受封底混凝土約束，封底層厚為1 m，砼等級為C20，計算時取彈模為2.6×104MPa。

8) 仿真計算：根據結構對稱性，取半幅墩臺的一半進行分析計算，仿真計算從混凝土入倉澆筑開始，模擬之后60 d的溫度應力發展。

3.5 仿真計算結果

在以上設定條件下，計算結果表明在混凝土澆筑完成后的第3 d墩臺內部溫度達到69.5 ℃，為最高溫度。墩臺內部最高溫度包絡示意見圖2，應力場示意見圖3～圖10，應力計算結果見表7。

圖2 墩臺混凝土內部最高溫度包絡示意

圖3 墩臺第1層3 d應力場示意

圖4 墩臺第1層7 d應力場示意

圖5 墩臺第1層28 d應力場示意

圖6 墩臺第1層 60 d應力場示意

圖7 墩臺第2層3 d應力場示意

圖8 墩臺第2層 7 d應力場示意

圖9 墩臺第2層28 d應力場示意

圖10 墩臺第2層60 d應力場

表7 墩臺溫度應力場計算結果

4 溫控標準

混凝土溫度控制的原則：

1) 控制混凝土澆筑溫度[10](新混凝土澆筑前，經振搗的老混凝土表面約10cm處的溫度)；

2) 減緩已澆筑混凝土的溫度上升速率，使內部溫度緩慢上升至最高溫度；

3) 減緩混凝土內部溫度下降速率，減少混凝土內部溫度裂縫[11]；

4) 降低混凝土里表溫差、新舊混凝土之間的溫差和控制砼表面和周邊環境氣溫之間的溫度差[12]。

根據上述仿真計算結果，結合該工程的實際情況，參考《公路橋涵施工技術規范》(JTG/T 3650—2020)和《水運工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術規程》(JTS 202-1-2010)等相關規定[13]，對墩臺大體積混凝土施工制定的施工各階段混凝土溫度控制指標見表8、表9。

表8 大體積混凝土溫控標準主要指標

表9 大體積混凝土溫控標準參考指標 ℃

5 結語

在根據《水運工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術規程》(JTS 202-1-2010)，控制原材料溫度[14]，保證入倉溫度不高于30 ℃的條件下，通過ANSYS軟件溫度應力仿真計算分析結果表明：

1) 墩臺澆筑層內部最高溫度可滿足《公路橋涵施工技術規范》(JTG/T 3650—2020)內部最高溫度≤75 ℃要求。

2) 墩臺澆筑溫度、層內部最高溫度可滿足《水運工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術規程》(JTS 202-1-2010)內部最高溫度≤70 ℃要求。

3) 墩臺第1層7 d和第2層7 d最小抗裂安全系數分別為1.33和1.39，小于1.4，但安全保證率在80%以上，其他各齡期混凝土安全系數均大于1.4，安全保證率在85%以上，可以滿足現場要求。

在8—11月進行大體積混凝土澆筑施工時，應通過計算采取相應措施，通過降低各原材料溫度來控制混凝土入倉溫度不大于 30 ℃。具體措施建議如下：

1) 制冷水拌和，在水箱中加入碎冰，控制拌和水溫不大于10 ℃，要避免其中有固體冰塊。

2) 氣溫超過30 ℃時，可以利用碎冰代替部分拌和水，即制冷水+碎冰拌和混凝土方案，保證出機口溫度滿足要求。根據類似工程施工經驗，每加10 kg冰，可降低新拌混凝土溫度1 ℃。加冰量現場實際情況調整，最大加冰量為用水量的50%。

3) 儲料倉可以搭設遮陽棚對骨料遮陽或噴淋水霧，同時將倉內骨料進行堆高處理并從底層取料。

4) 控制膠材溫度不大于60 ℃。計劃澆筑施工前與膠材供應廠家做好協調，提前一個月備料待用，膠材進場后要充分冷卻后再使用，儲罐外可采用噴淋降底膠材溫度，也可采用多次倒庫進行膠材降溫；

5) 對制冷水管路、拌合設備、攪拌車等進行灑水、防曬、保溫處理，防止材料溫度的回升。

6) 利用溫度較低時段施工。

7) 一般當澆筑倉氣溫高于25 ℃時采用噴霧機進行噴霧降溫，直至混凝土終凝，不能采用人工噴霧或噴毛槍噴水等方式，噴霧要覆蓋整個倉面，同時防止倉面積水[15]。