大體積混凝土承臺溫控仿真分析與智能控制研究*

陳康軍

(湖南聚創建筑科技有限公司，湖南 長沙 410205)

混凝土成型過程中產生的大量水化熱在內部積聚得不到有效散發，形成的溫度梯度效應導致混凝土開裂的問題備受重視，橋梁承臺、錨墊等大體積混凝土的溫控一直是施工過程中的重點、難點，稍有不慎將導致巨大經濟損失。即使普遍認為尺寸不大的混凝土，也時常因為溫控不當導致混凝土開裂。某在建橋梁工程實心墩最小尺寸僅為2 m，混凝土澆筑時由于溫控措施考慮不周導致內部溫度過高，拆模后表面溫度迅速降低，造成內外溫度變大，拆模1 h后表面產生大量裂紋。溫度應力引起的裂縫具有裂縫寬、上下貫通等特點，對結構承載力、耐久性等都會產生很大影響。如不加以控制，裂縫將向深層發展，對工程結構帶來很大安全隱患，甚至導致結構失效。該文以湖南官新(官莊—新化)高速公路馬路口特大橋6#主墩承臺大體積混凝土施工為例，采用三維有限元軟件MIDAS/Civil對大體積混凝土承臺溫控技術進行研究。

1 工程概況

馬路口特大橋為雙塔雙索面斜拉橋，主橋跨徑為160 m+500 m+160 m。6#主墩承臺為矩形截面，尺寸為22.800 m×39.827 m×6.000 m(順橋向×橫橋向×厚度)，塔座為高2 m的楔形體。基礎采用24φ2.8 鉆孔灌注樁，橫橋向、順橋向樁中心距為6 m。

主墩承臺及塔座均采用C45混凝土，6#墩承臺按照2.5 m+3.5 m分層澆筑。采用圖1所示冷卻管布置方案，第一層澆筑體2.5 m布置2層水管，第二層澆筑體3.5 m布置3層水管，層距均為1.25 m。在水平方向，在澆筑體受環境溫度影響較大的周邊布置一圈冷卻管，在受環境溫度影響較小的中心區域單獨布置冷卻管。冷卻管直徑為42 mm，壁厚為2 mm，水平間距為1.0 m。

圖1 6#墩承臺第一、第二層冷卻管平面布置(單位：cm)

2 仿真分析參數確定及模型建立

2.1 計算參數確定

(1) 混凝土參數。混凝土強度為C45，其徐變與收縮系數曲線、強度發展曲線均由MIDAS/Civil軟件自動給出(實驗室未能提供該參數)，混凝土比熱為1.046 kJ/(kg·℃)，熱傳導率為10.08 kJ/(m·h·℃)。

(2) 混凝土絕熱溫升函數。實驗室提供的C45混凝土初始配合比見表1，該配合比不能滿足28 d強度要求。施工前對C45混凝土配合比進行調整，調整后配合比見表1。水泥采用P.O52.5普通硅酸鹽水泥，單方混凝土水泥用量采用規范推薦的最大值。

表1 C45混凝土的配合比 kg/m3

每千克水泥的水化熱值由混凝土廠家提供，m值根據GB 50496—2018 附錄B查表取0.55，混凝土絕熱溫升計算參數取值見表2。據此得到初始配合比混凝土與調整配合比后混凝土的絕熱溫升公式分別為：

表2 混凝土絕熱溫升計算參數取值

T(t)=35.7(1-e-0.55t)

(1)

T(t)=41.3(1-e-0.55t)

(2)

(3) 其他參數。冷卻管進口水溫為20 ℃，流量為6.0 m3/h。冷卻水對流系數為371 W/(m2·K)，環境對流傳熱系數為14 W/(m2·K)。根據計劃澆筑時間，參考該橋所在地區2020年5月的氣溫，以“時間-溫度”自定義函數形式輸入。

2.2 仿真計算模型建立

采用MIDAS/Civil建立該橋6#主墩承臺全尺寸模型，該模型共劃分為8 636個八節點實體單元(見圖2)。為描述混凝土將熱量傳遞給墊層的情況，將墊層模擬為具有一定比熱和熱傳導率的結構。由于6#墩墊層底部不與地基接觸，每層澆筑體及臺座四周邊界取為與大氣接觸的環境溫度單元對流邊界，墊層底部節點按固結進行模擬計算。

圖2 承臺仿真分析模型

3 混凝土澆筑過程溫控分析

3.1 不設置內部冷卻管時溫度及應力分析

不設置內部冷卻管的條件下，以第一層混凝土澆筑為列，7 d齡期時內部溫度達到57 ℃，直至28 d時內部溫度始終維持在56 ℃以上，說明自然冷卻的效率不明顯(見圖3、圖4)。7 d齡期時拉應力峰值為3.08 MPa,此時容許拉應力為3.20 MPa,安全系數為1.04；14 d齡期時拉應力峰值為3.99 MPa,此時容許拉應力為3.42 MPa,拉應力峰值大于容許拉應力，導致混凝土開裂(見圖5、圖6)。

圖3 不設置內部冷卻管的條件下7 d齡期時溫度場(單位：℃)

圖4 不設置內部冷卻管的條件下28 d齡期時溫度場(單位：℃)

圖5 不設置內部冷卻管的條件下7 d齡期時拉應力(單位：Pa)

圖6 不設置內部冷卻管的條件下14 d齡期時拉應力(單位：Pa)

3.2 不同配合比時溫度及應力分析

3.2.1 溫度場

如圖7、圖8所示，原混凝土配合比條件下第一、第二層澆筑180 h后混凝土內部分別出現55.89 ℃、55.94 ℃溫度峰值；調整配合比后第一、第二層澆筑180 h后混凝土內部分別出現59.32 ℃、59.37 ℃溫度峰值，滿足規范中入模溫升值不大于50 ℃的要求(入模溫度20 ℃)；不同配合比時2層澆筑體溫度峰值出現的時間基本相同，調整配合比后溫度峰值升高約3.4 ℃。

圖7 不同配合比時第一層混凝土澆筑后最高溫度時刻溫度場(單位：℃)

圖8 不同配合比時第二層混凝土澆筑后最高溫度時刻溫度場(單位：℃)

3.2.2 溫度應力分析

如圖9、圖10所示，原配合比條件下第一、第二層澆筑完成192 h后混凝土表面分別出現2.13 MPa、2.22 MPa拉應力峰值；調整配合比后第一、第二層澆筑完成192 h后混凝土表面分別出現2.35 MPa、2.42 MPa拉應力峰值；不同配合比時2層澆筑體拉應力峰值出現的時間基本相同，調整配合比后拉應力峰值升高約0.22 MPa。

圖9 不同配合比時第一層混凝土澆筑后拉應力(單位：Pa)

圖10 不同配合比時第二層混凝土澆筑后拉應力(單位：Pa)

3.2.3 溫度及拉應力安全系數分析

分層澆筑時不同配合比下混凝土內外溫差見表3，溫度應力及安全系數見表4。原配合比條件下入模溫升值、內外溫差及3 d、7 d、28 d、42 d齡期拉應力均在規范要求范圍內；調整配合比后上述指標符合規范要求，但溫度峰值、拉應力峰值較前者提高，相應的拉應力安全系數較前者偏小，最小值出現在第二層混凝土澆筑7 d左右，為1.40，開裂的可能性很低，調整后C45混凝土配合比可行。

表3 分層澆筑內外溫差 ℃

表4 溫度應力及安全系數

4 大體積混凝土溫度監測控制系統

4.1 系統簡介

設計大體積混凝土監測控制系統，該系統由監測與控制兩部分組成。監控系統由綜合采集儀(應力應變與溫度采集)與溫度傳感器、應力應變傳感器組成，控制系統包括可編程邏輯控制器PLC(中央處理器)、多級立式變頻泵、水箱(設置加冷水泵調低水溫及電動閥排出熱水)等。

4.2 溫度梯度控制

4.2.1 同一層相鄰點溫度梯度控制

相鄰2個溫度監測點j、k的溫差按下式計算：

(3)

式中：i為層數。

(4)

(5)

(6)

4.2.2 同一位置相鄰層溫度梯度控制

相鄰層的溫差按下式計算：

(7)

ΔTji-i+1滿足式(8)時維持相鄰兩層的冷卻水泵頻率。

(8)

(9)

ΔTji-i+1滿足式(10)時，調整溫度高的一層(一般為近中心層)的冷卻水泵頻率為50 Hz。j在外表面位置時加蓋保溫層。

(10)

4.3 進出口水溫控制流程

Tmax-T1≤25 ℃條件為“否”時，啟動加水泵往水箱內加入冷水，開啟水箱電動閥排水。再次檢查水溫直至該條件為“是”時停止排出熱水和加入冷水。

4.4 降溫過程控制流程

在遵循溫度梯度原則的前提下，第i層j位置大體積混凝土整體降溫速率控制模型為：

ΔTij≤1.5 ℃/d

(11)

1.5 ℃/d≤ΔTij≤2.0 ℃/d

(12)

ΔTij≥2.0 ℃/d

(13)

滿足式(11)時維持現狀；滿足式(12)時調整該層冷卻水泵頻率B在當前頻率至50 Hz內采用線性內插法確定，對應流量為(B/50)2×8 m3/h；滿足式(13)時調整該層冷卻水泵頻率為25 Hz。

當內部點降溫速率與溫度梯度控制原則沖突時，遵循溫度梯度控制原則，在有可靠措施的基礎上適當增大降溫幅度。

5 溫度監測結果及分析

根據現場溫度監測結果，6#墩承臺第一層混凝土溫控過程中平均溫度變化見圖11，第二層各時段監測溫度變化與此差別不大。

圖11 第一層混凝土中心特征點溫度時程曲線

由圖11可知：前7 d混凝土急劇升溫，7 d時溫度熱量積聚后達到峰值59.5 ℃；此后開始降溫，相較于升溫，降溫速率較緩慢。停止通水(實際通水時間為10 d)后通過自然散熱溫度下降幅度較平緩，降溫速率約為1.0 ℃/d，各層混凝土最大升溫值均未超過40 ℃，內外溫差最大值均未超過23 ℃，均在規范允許范圍內。

6 結論

以湖南官新高速公路馬路口特大橋6#墩承臺大體積混凝土施工為背景，采用MIDAS/Civil模擬施工過程進行仿真分析與智能控制，得到以下結論：1) 在采用P.O52.5高標號水泥、單方混凝土水泥用量達到規范推薦的最大極限值350 kg/m3且采用普通硅酸鹽水泥的極端條件下，采用合理有效的冷卻管方案和表面保溫保濕措施，能保證施工過程中溫差及拉應力可控。2) 根據2種配合比混凝土溫控過程的仿真分析結果，水泥用量增加會導致混凝土溫度、拉應力峰值上升，開裂風險增大，但上升幅度在可控范圍內，滿足現場施工要求。3) 采用大體積混凝土溫度監測與控制系統可實現溫度實時監測與數據分析，通過控制冷卻水流量能保證溫度梯度和整體降溫幅度符合規范要求，同時節省監控工作量。

大體積混凝土施工中除事前進行計算分析、制訂冷卻降溫方案外，還應通過采用低水化熱水泥、降低入模溫度、加強表面保溫保濕、采取氣溫驟降天氣及冷卻水循環系統故障應急處置措施等確保施工過程中混凝土有效降溫，避免混凝土開裂。