基于管冷系統(tǒng)的鋼箱拱橋大體積混凝土水化熱溫控監(jiān)測分析

作者簡介：丁志遠(yuǎn)（1986—），工程師，主要從事路基、路面、橋梁施工技術(shù)研究工作。

摘要：大體積混凝土水化熱在構(gòu)件內(nèi)部不斷積聚，極易導(dǎo)致內(nèi)外大溫差而產(chǎn)生拉應(yīng)力，誘發(fā)溫度裂縫等病害，嚴(yán)重威脅橋梁結(jié)構(gòu)性能與安全。文章依托廣西欽州地區(qū)某系桿鋼箱拱橋施工工程，針對鋼箱拱橋承臺、主墩及拱座等大體積混凝土構(gòu)件的溫控問題，采用基于冷卻水管的管冷系統(tǒng)進(jìn)行大體積混凝土水化熱溫度控制，并結(jié)合現(xiàn)場溫度監(jiān)測，探討了溫控指標(biāo)對大體積混凝土溫控效果的影響分析。通過嚴(yán)格控制大體積混凝土溫控指標(biāo)，實(shí)際工程中大體積混凝土構(gòu)件均未產(chǎn)生明顯裂縫，冷卻水管法被證明有利于大體積混凝土溫控效果，可為該類橋梁大體積混凝土構(gòu)件工程應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；大體積混凝土；水化熱監(jiān)測；冷卻水管

中圖分類號：U445.57A411414

0 引言

鋼箱拱橋因其自重輕、截面抗扭剛度大、跨度大、經(jīng)濟(jì)美觀等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用^［1］。為了滿足鋼箱拱橋跨越能力的要求，承臺、橋臺、橋墩等構(gòu)件越來越多地采用大體積混凝土以適應(yīng)于橋梁建設(shè)中。世界范圍內(nèi)來看，各國對于大體積混凝土的定義各有不同，而《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50496-2018）中對我國大體積混凝土進(jìn)行了相關(guān)定義。縱觀各個(gè)國家關(guān)于大體積混凝土的定義描述，雖然具體規(guī)定稍有不同，尚未形成一個(gè)較為統(tǒng)一的定義，但是其特點(diǎn)基本統(tǒng)一，可大致歸納為體積大、混凝土水化熱集中于內(nèi)部、超過允許抗拉強(qiáng)度將極易導(dǎo)致溫度裂縫等^［2］。因此，橋梁大體積混凝土構(gòu)件的溫度控制十分重要，妥善處理溫差、干縮等變化意義重大。

國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于水泥混凝土水化熱的研究較多。美國壩高221.4 m的胡佛（Hoover）大壩的建造拉開了大體積混凝土溫度裂縫問題研究的序幕^［3］。我國對大體積混凝土的研究相對于西方國家而言起步略晚，伴隨新中國的成立開展了大批大型水利工程建設(shè)，國內(nèi)大體積混凝土相關(guān)的研究工作迅速發(fā)展^［4］。朱伯芳院士與潘家錚院士等學(xué)者揭示了大體積混凝土溫度應(yīng)力相關(guān)規(guī)律，并提出了大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度控制較為完備的理論^［5］。隨后，國內(nèi)外學(xué)者也通過試驗(yàn)與仿真等技術(shù)手段對大體積混凝土溫度裂縫相關(guān)問題進(jìn)行大量研究并取得一定進(jìn)展^［6］。鑒于大體積混凝土導(dǎo)熱性相對較差而僅依靠自然散熱方式的控溫難度大且時(shí)間久，人工降溫依舊是目前大體積混凝土溫控的有效措施，廣為應(yīng)用的是通過預(yù)埋冷卻水管的管冷系統(tǒng)降溫法^［7］。此種方法簡單易行，且效優(yōu)價(jià)低，通過冷卻水管參數(shù)調(diào)整冷卻效果，以實(shí)現(xiàn)大體積混凝土溫控動態(tài)監(jiān)測與調(diào)整措施。大體積混凝土溫控研究不局限于水利工程，在橋梁工程的重要構(gòu)件中也已受到重視。本研究針對新建鋼箱拱橋承臺、主墩及拱座等大體積混凝土構(gòu)件施工中的溫控問題，通過預(yù)埋冷卻水管的管冷系統(tǒng)降溫法進(jìn)行溫控，基于溫度監(jiān)測開展大體積混凝土溫控監(jiān)測效果分析。

1 工程概況

本研究依托工程為廣西欽州地區(qū)某系桿鋼箱拱橋，其跨徑組合為（20+120+20） m，凈跨徑為120.0 m，凈矢高為27.0 m，拱軸線采用二次拋物線，拱肋為等截面鋼箱拱，截面高度為2.50 m，寬度為1.80 m。橋面系為格構(gòu)式鋼-混組合結(jié)構(gòu)，主墩為實(shí)體墩、承臺+樁基礎(chǔ)的形式。該橋的立面布置見圖1。

該橋主墩尺寸長、寬、高分別為8.5 m、4.4 m、11.0 m，其中下半段長、寬、高分別為2.5 m、4.4 m、6.0 m，上半段長、寬、高分別為8.5 m、4.4 m、5.0 m，采用C40混凝土；主橋承臺尺寸長、寬、高分別為13.2 m、8.4 m、3.0 m，采用C35混凝土；拱座尺寸長、寬、高分別為7.5 m、3.4 m、4.923 m，采用C50混凝土，均屬于典型的大體積混凝土。該橋的主要材料參數(shù)選取如表1所示。

2 大體積混凝土冷卻水管及溫度監(jiān)測點(diǎn)布置

2.1 大體積混凝土承臺、主墩及拱座的冷卻水管布置

為了控制橋梁承臺、主墩及拱座大體積混凝土內(nèi)部水化熱效應(yīng)下溫度升高，防止體積膨脹而產(chǎn)生開裂，本研究在承臺、主墩及拱座大體積混凝土中布置多回路管冷系統(tǒng)。承臺的冷卻管布置見圖2（a）（b），根據(jù)冷卻管的布置圖，分別在C1、C2和C3管道的進(jìn)出口各布置1個(gè)水溫監(jiān)測點(diǎn)。主墩的冷卻管布置見圖2（c）（d），根據(jù)冷卻管的布置圖，在主墩下半段靠近電箱一側(cè)的管道進(jìn)出水口各布置1個(gè)溫度監(jiān)測點(diǎn)。拱座的冷卻管布置見圖2（e）（f），根據(jù)冷卻管的布置圖，在管道進(jìn)出水口各布置1個(gè)溫度監(jiān)測點(diǎn)，單個(gè)拱座冷卻管共布置2個(gè)溫度監(jiān)測點(diǎn)。

2.2 大體積混凝土的溫控指標(biāo)與溫度監(jiān)測點(diǎn)布置

大體積混凝土的水化熱溫度效應(yīng)非常復(fù)雜，外部溫度、原材料和施工等都會引起溫度變化，只有通過監(jiān)測才能更準(zhǔn)確地掌握其溫控效果，并在施工過程中及時(shí)調(diào)整完善溫控措施。在澆筑過程中有必要監(jiān)測混凝土澆筑溫度，在養(yǎng)護(hù)過程中還需監(jiān)測混凝土澆筑塊體升降溫、里表溫差、降溫速率及環(huán)境溫度等。根據(jù)我國《大體積混凝土溫度測控技術(shù)規(guī)范》（GB/T 51028-2015）的相關(guān)要求，本研究溫控指標(biāo)具體細(xì)化為入模溫度（T_m）、溫升峰值（TRP）、混凝土最高溫度（T_max）、最大降溫速率（CR_max）、最大表里溫差（?T_max-s-i），混凝土表面與大氣溫差最大值（?T_max-s-a）以及停止監(jiān)測時(shí)最高溫度（T_max-stop）等。

根據(jù)上述要求，承臺混凝土溫度監(jiān)測點(diǎn)布置見圖3（a）（b），沿縱橋向和橫橋向均選取對稱軸的一半布置，橫橋向布置4條測線（F、G、H、I），縱橋向布置6條測線（A、B、C、D、E、F），沿高度方向每條測線布置5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。同樣，主墩混凝土溫度監(jiān)測點(diǎn)布置見圖3（c）（d），沿縱橋向和橫橋向均選取對稱軸的一半布置溫度監(jiān)測點(diǎn)，橫橋向布置3條測線（C、D、E），縱橋向布置3條測線（A、B、C），沿高度方向每條測線布置5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。拱座混凝土溫度監(jiān)測點(diǎn)布置見圖3（e）（f），同樣沿縱橋向和橫橋向均選取對稱軸一半布置，橫橋向布置3條測線（D、E、F），縱橋向布置4條測線（A、B、C、D），沿高度方向每條測線布置5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。此外，承臺、主墩及拱座附近均布置了環(huán)境溫度監(jiān)測點(diǎn)。

本研究中的大體積混凝土溫度監(jiān)測系統(tǒng)（圖4）由溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸組成，具有溫度、時(shí)間參數(shù)的顯示、儲存、處理功能。同時(shí)，根據(jù)《大體積混凝土溫度測控技術(shù)規(guī)范》（GB/T 51028-2015）相關(guān)要求，結(jié)合工程實(shí)際考慮，本研究中的溫度監(jiān)測間隔取60 min/次。

3 溫控效果分析

3.1 大體積混凝土承臺溫控監(jiān)測效果分析

上下游大體積混凝土承臺的溫控監(jiān)測結(jié)果見下頁圖5。本研究中，入模溫度（T_m）嚴(yán)格控制在35 ℃左右，且基本穩(wěn)定，可避免加速水化熱反應(yīng)。溫升峰值（TRP）與混凝土最高溫度（T_max）表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，先增大后減小，可歸因于分層混凝土水化熱的累積效應(yīng)。因此，大體積混凝土承臺中間位置的第3層為核心區(qū)，其溫度高于其他層并逐漸向外表面降低。由于大體積混凝土體積大，其中水化熱效應(yīng)致使溫度迅速升高，然而散熱過程較為緩慢，往往導(dǎo)致混凝土表面和內(nèi)部形成大溫差，極易引起混凝土開裂。在本研究中可以發(fā)現(xiàn)，最大表里溫差（?T_max-s-i）和混凝土表面與大氣溫差最大值（?T_max-s-a）均在規(guī)范規(guī)定的控制范圍內(nèi)，因此，通過管冷系統(tǒng)的布置，可以很好地控制大體積混凝土承臺內(nèi)部溫度，也證明了冷卻管法有利于大體積混凝土的水化熱控制，可有效降低混凝土結(jié)構(gòu)的中心溫度。當(dāng)停止監(jiān)測時(shí)每層最高溫度（T_max-stop）基本上接近入模溫度（T_m），同時(shí)，在工程實(shí)際中，上下游大體積混凝土承臺并未觀測到明顯裂縫。

3.2 大體積混凝土主墩溫控監(jiān)測效果分析

圖6給出了上下游大體積混凝土主墩的溫控監(jiān)測結(jié)果。從圖6中可以看出，主墩的入模溫度（T_m）嚴(yán)格且穩(wěn)定控制在35 ℃以下，相對較低的入模溫度在一定程度上能夠避免加速水化熱反應(yīng)。通過對比分析上下游不同入模溫度下的溫控監(jiān)測效果，可以看出混凝土的環(huán)境溫度對其溫度場有一定的影響，入模溫度越高，則水化熱效應(yīng)下混凝土最高溫度（T_max）值越高。同樣，在分層混凝土水化熱的累積效應(yīng)下，溫升峰值（TRP）與混凝土最高溫度（T_max）表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，先增大后減小。此外，最大表里溫差（?T_max-s-i）和混凝土表面與大氣溫差最大值（?T_max-s-a）均在規(guī)范規(guī)定的控制范圍內(nèi)，避免了混凝土表面和內(nèi)部大溫差引起的混凝土開裂問題。由于多種影響因素，大體積混凝土主墩的降溫速率波動相對較大，當(dāng)停止監(jiān)測時(shí)每層最高溫度（T_max-stop）基本上接近入模溫度（T_m）。同時(shí)，在工程實(shí)際中并未觀測到上下游大體積混凝土主墩產(chǎn)生明顯裂縫。因此，大體積混凝土主墩的管冷系統(tǒng)布置可以很好地控制其內(nèi)部溫度，有效降低混凝土結(jié)構(gòu)的中心溫度。

3.3 大體積混凝土拱座溫控監(jiān)測效果分析

后頁圖7為上下游大體積混凝土拱座的溫控監(jiān)測結(jié)果。在本研究的實(shí)際工程中，為了避免加速水化熱反應(yīng)，拱座的入模溫度（T_m）嚴(yán)格且穩(wěn)定控制在30 ℃左右。溫升峰值（TRP）為混凝土最高溫度（T_max）與入模溫度（T_m）之差，表現(xiàn)出與最高溫度相似的變化規(guī)律，即先增大后減小。對于大體積混凝土拱座而言，基于管冷系統(tǒng)的溫控措施，其降溫速率相對穩(wěn)定，且最大表里溫差（?T_max-s-i）和混凝土表面與大氣溫差最大值（?T_max-s-a）仍然在規(guī)范規(guī)定的控制范圍內(nèi)。本項(xiàng)目的工程實(shí)際表明，上下游大體積混凝土拱座未產(chǎn)生明顯裂縫，當(dāng)停止監(jiān)測時(shí)每層最高溫度（T_max-stop）也基本接近入模溫度（T_m）。因此，大體積混凝土拱座的管冷系統(tǒng)可以很好地控制其內(nèi)部溫度，對大體積混凝土水化熱具有很好的溫控效果。

4 結(jié)語

本文針對鋼箱拱橋承臺、主墩及拱座等大體積混凝土構(gòu)件施工中的溫控問題，通過預(yù)埋冷卻水管的管冷系統(tǒng)降溫法作為大體積混凝土水化熱溫控措施，基于冷卻水管與溫度監(jiān)測點(diǎn)布置與監(jiān)測，進(jìn)行大體積混凝土溫控監(jiān)測效果分析：

（1）入模溫度控制在一定程度上能夠避免加速水化熱反應(yīng)。由于水化熱，大體積混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部核心區(qū)的溫度最高，并逐漸向外表面降低。

（2）最大表里溫差和混凝土表面與大氣溫差最大值均在規(guī)范規(guī)定的控制范圍內(nèi)，避免了大溫差引起的混凝土開裂問題。

（3）當(dāng)停止監(jiān)測時(shí)最高溫度基本接近入模溫度，且大體積混凝土構(gòu)件均未產(chǎn)生明顯裂縫。這表明基于冷卻管法的管冷系統(tǒng)有利于大體積混凝土溫控效果，可有效降低其內(nèi)部溫度。

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