某提籃拱橋拱座混凝土水化熱仿真與控制技術研究

付柳源

(廣西路橋工程集團有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引言

在大體積混凝土澆筑施工過程中，由于水泥水化熱的產生，使得混凝土結構內外溫差較大，產生溫度自應力，引起溫度裂縫的產生[1-2]，從而影響結構的正常使用。同時，拱座是拱式結構的關鍵部位，是結構設計中必須重點考慮的對象，因此模擬拱座澆筑過程中水化熱的產生并采取相關溫控措施[3]，通過對實體工程合理的監控測點布置獲取可靠的水化熱變化數據，根據實測數據來控制施工質量顯得尤為重要。

1 工程背景

該橋位于廣西崇左市境內，主橋為跨徑360 m的中承式鋼管混凝土提籃拱橋，全橋長968.5 m。其主墩基礎為擴大基礎，基底嵌入完整基巖中，拱座采用C40防水混凝土并分六層進行澆筑，層高分別為3 m+2.5 m+2.5 m+2 m+2 m+3 m。詳細構造和混凝土澆筑方量統計如圖1和表1所示。

圖1 拱座構造示意圖

表1 拱座主體澆筑方量統計表

2 拱座數值仿真分析

2.1 結構幾何模型及參數設置

利用有限元軟件Midas Fea建立本文研究對象[4]，如圖 2所示。結構通過映射方式生成8節點六面體單元，節點數為56 033個、單元數為51 414個。模型內部考慮三種邊界條件：固定約束邊界、對流熱交換邊界、基礎固定溫度邊界。材料參數取值見下頁表2和表3。

圖2 拱座模型圖

表2 拱座主體混凝土配合比表

表3 C40拱座混凝土熱工參數表

2.2 溫度場分布情況

根據有限元計算結果，在未考慮溫控措施的情況下，澆筑每一層拱座其整體溫度分布情況如圖3～8所示。

圖3 拱座第一層溫度場分布云圖

圖4 拱座第二層溫度場分布云圖

圖5 拱座第三層溫度場分布云圖

圖6 拱座第四層溫度場分布云圖

圖7 拱座第五層溫度場分布云圖

圖8 拱座第六層溫度場分布云圖

拱座施工時正值廣西6、7月份，境內天氣炎熱干燥，假定拱座混凝土的入模溫度為28 ℃。經有限元分析計算，拱座第一層混凝土內部中心溫度最高達68.6 ℃，拱座第二層混凝土內部中心溫度最高達103.8 ℃，拱座第三層混凝土內部中心溫度最高達105.1 ℃，拱座第四層混凝土內部中心溫度最高達101.6 ℃，拱座第五層混凝土內部中心溫度最高達101.1 ℃，拱座第六層混凝土內部中心最高達90.9 ℃。拱座體表比較小，在澆筑過程中，隨著混凝土水化熱的不斷發生，聚集在其內部的熱量得不到完全釋放，而混凝土表面不斷與外界環境進行熱量交換，因此導致混凝土中間內部溫度高，表面溫度較低的現象。由于未采取任何溫控措施，澆筑在后一層拱座混凝土時，受到前一層澆筑完成混凝土的影響，熱交換趨勢更加緩慢，后澆層在方量較大的情況下，內部中心溫度愈來愈高。

3 溫控措施

根據大體積混凝土水化熱數值仿真計算結果，并結合大體積混凝土施工技術規范，綜合考慮經濟合理及現場施工方便等因素，在拱座主體增加冷卻管作為溫控措施[5-7]，冷卻管布置如圖9所示。在Midas Fea軟件中，冷卻管通過給對應單元施加荷載的方式體現，其中材料參數如表4所示。

圖9 冷卻管立面布置圖

表4 管冷系統熱工參數表

4 測點監控措施

4.1 測點布置方式

充分考慮監測經濟合理性，在拱座1/4結構范圍內布設溫控傳感器，由于拱座各部分混凝土澆筑時間上存在差異，在每一拱座澆筑層布設三層傳感器，布置方式為每一層上下頂底面5 cm及中心位置處，橫向布設根據拱座寬度適時調節，具體如圖10～11所示。其中重點監控每一層核心區域處。

圖10 測點布置立面圖

圖11 測點布置平面圖(cm)

4.2 監測頻率

在拱座澆筑過程中，入模溫度的測量，每臺班不應少于2次，以實時信息反饋更新拱座數值模型。其中溫控數據的監測頻率為在1～3 d每4 h一次，3～5 d每2 h一次，5～7 d每4 h一次，共監測7 d。

5 監測結果與分析

根據工程拱座各層測點水化熱的實際監測結果，與采取溫控措施后的數值仿真混凝土理論溫度值對比分析，如表5所示。

表5 拱座水化熱實測和理論數據分析表

由前頁表5可知，拱座采取溫控措施后的水化熱明顯大幅度降低，且現場實測數據與水化熱仿真結果走勢基本趨于一致[8]。個別理論數據與現場實測數據存在一定差異，主要源于現場施工環境溫度較高，入模溫度難以控制。從總體走勢來講，混凝土的水化熱峰值出現在澆筑完成后的前兩三天。此后隨著混凝土齡期的增長，混凝土的溫度逐步降低，滿足內部最高溫度均<75 ℃，內表溫差<25 ℃，在28°入模溫度基礎上的溫升值≤50 ℃的規范要求。

6 結語

(1)結合工程實際，分析了拱座溫度場的變化規律，并根據數值仿真結果，提出相應的溫控措施。通過對比采取溫控措施和未采取兩種情況表明，布置冷凝管能有效降低大體積混凝土的水化熱[9]。同時，拱座實際溫度監測結果和理論分析結果規律一致，表明通過對大體積混凝土澆筑過程進行數值仿真計算科學有效。

(2)由于拱座澆筑體積較大，與外界接觸不充分，內部熱量交換緩慢，應嚴格控制混凝土的入模溫度，加設防裂鋼筋網，并加強后期養護。