大體積承臺(tái)混凝土水化熱仿真及溫控分析

崔成男CUI Cheng-nan；蔡華CAI Hua；邢振華XING Zhen-hua；宋楠SONG Nan；田戩TIAN Jian

（中建鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 102601）

1 工程背景

選取位于重慶市內(nèi)的某連續(xù)剛構(gòu)橋主墩承臺(tái)進(jìn)行分析，該橋主墩承臺(tái)尺寸為21.0m（橫橋向）×21.0m（縱橋向）×7m（層厚）的整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，承臺(tái)混凝土為C40，承臺(tái)澆筑方量達(dá)到3087.0m3，鋼筋294.4t。承臺(tái)分為兩次澆筑，第一次的澆筑厚度為4m，第二次的澆筑厚度為3m。橋墩承臺(tái)混凝土體積較大，為掌握砼內(nèi)部最高溫度和內(nèi)外溫差，防止混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，需對(duì)大體積混凝土承臺(tái)水化熱發(fā)生過(guò)程模擬并進(jìn)行溫度測(cè)試及控制。

2 結(jié)構(gòu)仿真分析

2.1 模型參數(shù)設(shè)置

承臺(tái)尺寸為21.0m×21.0m×7.0m，由于結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)稱(chēng)，此次計(jì)算采用1/4 結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，如圖1 所示，并且考慮承臺(tái)外圍2.0m 的地基，材料參數(shù)如表1 所示，冷卻管布置如圖2~圖4 所示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況承臺(tái)第一層和第二層擬采用大氣溫度為15.0℃，澆筑溫度為15.0℃進(jìn)行仿真分析。本次計(jì)算采用實(shí)體單元建模型。承臺(tái)第一層考慮10h、24h、48h、72h、96h、120h、144h……336h 等子工況，承臺(tái)第二層考慮澆筑10h、24h、48h、72h、96h、120h、144h……336 h 等子工況。分別研究冷凝管入口溫度為10℃、15℃、20℃三種不同情況下的各層溫度變化情況以及內(nèi)外溫差。

圖4 2、4、6 層冷卻管模型圖

表1 材料參數(shù)

圖1 承臺(tái)1/4 模型

圖2 承臺(tái)外表面模型圖

2.2 邊界條件

①位移邊界條件。這種承臺(tái)的底層是澆注在地基之上的，因此承臺(tái)的底板是一個(gè)靜止的固定約束。由于采用了對(duì)稱(chēng)性原則[1-2]，在建立承臺(tái)的有限元模型時(shí)，只建立了1/4的框架結(jié)構(gòu)，因此，在承臺(tái)的兩個(gè)切割面上都是對(duì)稱(chēng)的，也就是第二種類(lèi)型的邊界。

②溫度邊界條件。在地基中密封的基礎(chǔ)上，應(yīng)用第一種邊界狀態(tài)：強(qiáng)迫溫度[3-4]。在混凝土澆注過(guò)程中，承臺(tái)兩側(cè)和上部都與大氣接觸，混凝土在澆注過(guò)程中會(huì)與外界進(jìn)行對(duì)流，形成熱量的交換，屬于第三種類(lèi)型：對(duì)流界面[5]。

圖3 1、3、5、7 層冷卻管模型圖

2.3 溫度變化情況

根據(jù)計(jì)算分析，承臺(tái)第一層混凝土澆筑后，隨著水化熱不斷發(fā)生，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生大量的熱量得不到完全釋放，混凝土表面與外界不斷進(jìn)行熱量交換。因此第一層的溫度呈現(xiàn)中間高、混凝土表面與大氣相差不大的現(xiàn)象。如圖5 所示，承臺(tái)混凝土芯部溫度在澆筑后72h 內(nèi)急劇升高并在72h 達(dá)到最大值，其中第一、二層芯部混凝土分別達(dá)到53.07℃、55.06℃，72h 后芯部溫度隨澆筑時(shí)間緩慢降低。

圖5 承臺(tái)第一、二層芯部溫度隨時(shí)間變化

2.4 溫度應(yīng)力分析

混凝土水化熱產(chǎn)生的熱量使混凝土產(chǎn)生溫度自應(yīng)力，當(dāng)超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)裂縫，因此需要對(duì)承臺(tái)混凝土澆筑過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行分析。環(huán)境溫度為15℃時(shí)，第一層和第二層中心點(diǎn)應(yīng)力大部分在2MPa 以下，未產(chǎn)生受拉開(kāi)裂。因此大體積混凝土中心點(diǎn)應(yīng)力對(duì)于環(huán)境溫度不敏感。

環(huán)境溫度為15℃，第一層混凝土表面最大拉應(yīng)力在混凝土澆筑后384h 達(dá)到最大值2.76MPa，整體應(yīng)力在-2.5~2.76MPa 之間，第二層混凝土表面產(chǎn)生的拉應(yīng)力整體表現(xiàn)比較小，應(yīng)力變化曲線如圖6、圖7 所示。

圖6 承臺(tái)第一層最大拉應(yīng)力點(diǎn)變化曲線

圖7 承臺(tái)第二層最大拉應(yīng)力點(diǎn)變化曲線

3 承臺(tái)溫度監(jiān)控

3.1 測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》（GB50496-2018），在承臺(tái)上布置21 個(gè)溫度測(cè)試監(jiān)控點(diǎn)。因承臺(tái)形狀是豎向?qū)ΨQ(chēng)的，故承臺(tái)溫度測(cè)點(diǎn)布置在1/4承臺(tái)平面內(nèi)。其中第一層澆筑，厚度為4m，測(cè)位為7 個(gè)，厚度方向每測(cè)位設(shè)4 個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)承臺(tái)共計(jì)28 個(gè)測(cè)點(diǎn)。第二次澆筑，厚度為3m，測(cè)位為7 個(gè)，厚度方向每測(cè)位設(shè)3 個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)承臺(tái)共計(jì)21 個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)平面布置圖和厚度方向測(cè)點(diǎn)布置圖如圖8、圖9 所示。

圖8 承臺(tái)溫度測(cè)點(diǎn)平面布置圖（單位：cm）

圖9 承臺(tái)溫度測(cè)點(diǎn)立面布置圖（單位：cm）

3.2 測(cè)試方法

現(xiàn)場(chǎng)采用了大體積混凝土智能溫控與自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)混凝土的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，指標(biāo)檢驗(yàn)與控制主要有入模溫度、最大升溫、里表溫差、層間溫差、水溫溫升、表面與環(huán)境溫差以及降溫速率[6-10]。并依據(jù)監(jiān)測(cè)到的溫度數(shù)據(jù)，自動(dòng)控制冷卻水的流量及水溫，以控制砼內(nèi)最高溫度、里表溫差、降溫速率等主要指標(biāo)。

在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，混凝土的內(nèi)部溫度應(yīng)控制在60~70℃之間，表面溫度和周?chē)鷾囟炔睢⒈砻鏈囟群蛢?nèi)部溫度差都應(yīng)小于20℃，表面溫度和養(yǎng)護(hù)用水溫度差應(yīng)小于15℃。溫峰以后，對(duì)砼進(jìn)行了慢速冷卻，采用隔熱措施對(duì)其最大冷卻速度進(jìn)行了調(diào)控，速率控制在≤2.0℃/d。

3.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果

冷卻水管進(jìn)口溫度一般會(huì)影響砼溫度峰值及升溫速率，因此分析入口溫度為10℃、15℃、20℃時(shí)，砼表面溫度、核心溫度、內(nèi)表溫差隨時(shí)間變化的差別。

分別提取一層承臺(tái)核心（節(jié)點(diǎn)號(hào)：9132），表面（節(jié)點(diǎn)號(hào)：9152）1 點(diǎn)，二層承臺(tái)核心（節(jié)點(diǎn)號(hào)：12519），表面（節(jié)點(diǎn)號(hào)：12540）2 點(diǎn)分析混凝土承臺(tái)結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)。承臺(tái)溫度場(chǎng)變化可分為快速升溫階段、快速降溫階段、緩慢降溫趨于穩(wěn)定階段3 個(gè)階段。

①第一層混凝土仿真分析。

第一層承臺(tái)混凝土澆筑后，由于水泥水化反應(yīng)，承臺(tái)溫度快速升高，核心溫度在48~72h 內(nèi)達(dá)到峰值。入口溫度為10℃、15℃、20℃時(shí)對(duì)應(yīng)的核心溫度峰值47.7℃、50.4℃、53.1℃，表面溫度峰值24.3℃、25.7℃、27.2℃，最大內(nèi)表溫差從24.9℃上升至28.5℃，如圖10~圖12 所示。

圖10 一層不同入口溫度下表面溫度隨時(shí)間變化曲線

圖12 一層承臺(tái)不同入口溫度下內(nèi)表溫差隨時(shí)間變化圖

②第二層混凝土仿真分析。

圖11 一層承臺(tái)不同入口溫度下核心溫度隨時(shí)間變化曲線

二層承臺(tái)混凝土澆筑后，核心溫度在48~72h 內(nèi)達(dá)到峰值。入口溫度為10℃、15℃、20℃時(shí)對(duì)應(yīng)的核心溫度峰值47.9℃、51.5℃、55.2℃，表 面 溫 度 峰 值30.4℃、30.5℃、30.7℃，最大內(nèi)表溫差從20.2℃上升至26.2℃，如圖13~圖15 所示。

圖13 二層承臺(tái)不同入口溫度下表面溫度隨時(shí)間變化曲線

圖14 二層承臺(tái)不同入口溫度下核心溫度隨時(shí)間變化曲線

圖15 二層承臺(tái)不同入口溫度下內(nèi)表溫差隨時(shí)間變化圖

結(jié)果表明：在進(jìn)口溫度上升后，表面溫度、核心溫度、內(nèi)表溫差初期的增溫速度和峰值溫度均有所提高，而到達(dá)峰值溫度的持續(xù)時(shí)間較短。由于進(jìn)口溫度越高，水化率越大，其含水量越大，因而可以采用減小進(jìn)口管道的溫度來(lái)減小混凝土表面和內(nèi)部的溫差[11-13]。

3.4 數(shù)值仿真與工程實(shí)測(cè)比較

由于承臺(tái)溫度測(cè)點(diǎn)數(shù)眾多，所以只選擇了兩個(gè)典型的測(cè)溫層，通過(guò)數(shù)值仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，選擇A 層、D 作為承臺(tái)內(nèi)部溫度測(cè)層，以反映承臺(tái)內(nèi)部的溫度變化，結(jié)果如圖16 所示。

分析圖16 可以得出，數(shù)值仿真A 層、D 層內(nèi)部最高溫度總體趨勢(shì)與工程實(shí)測(cè)吻合較好。其中A 層平均相差0.46℃，相對(duì)誤差為0.65%，D 層承臺(tái)內(nèi)部最高溫度平均相差1.82℃，相對(duì)誤差為3.38%。在充分考慮管冷以及現(xiàn)場(chǎng)施工配合比等參數(shù)后，混凝土內(nèi)部絕熱溫升最大值與工程實(shí)測(cè)值基本吻合，說(shuō)明有限元模型能達(dá)到較好狀態(tài)從而指導(dǎo)施工。

圖16 數(shù)值仿真與工程實(shí)測(cè)溫度變化

4 結(jié)論

①大體積承臺(tái)混凝土溫度監(jiān)控各項(xiàng)參數(shù)在可控范圍內(nèi)，符合規(guī)范要求。②在此基礎(chǔ)上，承臺(tái)冷卻管進(jìn)口處的溫度逐漸上升，使其表層和內(nèi)部的最大溫差也隨之增加，前期升溫速率加快。③承臺(tái)溫度分布的改變可以分成快速升溫、快速降溫、緩慢降溫趨于穩(wěn)定階段三個(gè)階段。通過(guò)降低承臺(tái)冷卻水管入口溫度，可以有效地減小混凝土水化凝結(jié)時(shí)產(chǎn)生的水化熱，蛇形布置冷卻水管降溫效果顯著。