葉再軍

(湖北省交通運輸廳工程質(zhì)量監(jiān)督局　武漢　430014)

大體積預(yù)應(yīng)力混凝土溫控技術(shù)研究

葉再軍

(湖北省交通運輸廳工程質(zhì)量監(jiān)督局武漢430014)

摘要運用有限元分析軟件建立大體積預(yù)應(yīng)力混凝土承臺溫度場模型，對承臺澆筑階段的溫度場進行仿真分析，研究混凝土內(nèi)部溫度場隨時間的變化規(guī)律，并與實測值進行比較。根據(jù)理論分析結(jié)果和現(xiàn)場溫度監(jiān)測，制定施工過程中的溫度控制方案，并采取相應(yīng)溫控措施。

關(guān)鍵詞承臺大體積預(yù)應(yīng)力混凝土水化熱溫度場

大體積混凝土澆筑后，水泥水化熱會產(chǎn)生大量熱量，由于混凝土導(dǎo)熱性能較差，內(nèi)部溫度會急劇上升。與此同時，混凝土表面由于散熱條件相對要好，溫度下降較快，其表面溫度相對要低，因此，在混凝土內(nèi)部和表面之間產(chǎn)生溫度差。溫度的升高和降低引起混凝土的膨脹和收縮，而膨脹和收縮受到支承結(jié)構(gòu)的約束，在混凝土內(nèi)部和表面就會產(chǎn)生應(yīng)力，如果應(yīng)力過大，就導(dǎo)致出現(xiàn)裂縫[1]。

為了防止大體積預(yù)應(yīng)力混凝土產(chǎn)生溫度裂縫，混凝土澆筑前應(yīng)對其進行溫控方案設(shè)計，施工時對其溫度場進行監(jiān)測。同時為了驗證溫控方案設(shè)計的合理性，同時準確預(yù)測澆筑時溫度場及溫度應(yīng)力的分布規(guī)律，有必要對大體積混凝土結(jié)構(gòu)進行模擬仿真計算。

飛龍島大橋為獨塔雙索面斜拉橋，主跨150 m，承臺以上塔高87 m，主塔采用分離式承臺，承臺間設(shè)系梁連接，單個塔柱下承臺尺寸為21 m×13.6 m×5 m，系梁尺寸為9 m×3.5 m，承臺采用C40混凝土，內(nèi)設(shè)預(yù)應(yīng)力，單個承臺混凝土體積約3 000 m3，屬于高強大體積預(yù)應(yīng)力混凝土。為了防止承臺產(chǎn)生溫度裂縫，澆筑前進行了溫控方案設(shè)計，應(yīng)用有限元軟件Madis進行了仿真計算，施工過程中對溫度場進行了監(jiān)測。

1　溫控方案設(shè)計

1.1配合比設(shè)計

在保證承臺混凝土強度的前提下，通過優(yōu)化混凝土配合比，盡可能降低水泥用量，可降低承臺在澆筑過程中的水化熱，從而降低混凝土內(nèi)部和表面溫度差。通過多次試配，最終選擇的混凝土配合比見表1。

表1　混凝土的配合比

1.2分塊分層方案

通過分塊分層澆筑，減小混凝土一次澆筑體積，有利于削減混凝土最高溫度和內(nèi)外溫差，也可以減小約束，減小溫度應(yīng)力，從而防止混凝土開裂。飛龍島大橋根據(jù)主塔預(yù)埋鋼筋、溫控設(shè)計和澆筑能力水平分3層澆筑，分層厚度自下而上為1.5，2.0，1.5 m，具體分層方案見圖1，每層之間的澆筑間歇為5～7 d，同時下層混凝土達到80%的強度后澆筑上層混凝土。

圖1　承臺澆筑分層示意圖(單位：cm)

1.3冷卻水管埋設(shè)

除了對水泥水化熱控制外，在澆筑過程中，預(yù)埋冷卻水管，通入循環(huán)水將內(nèi)部熱量帶出，實現(xiàn)人工導(dǎo)熱，從而降低混凝土內(nèi)部和表面溫度差。根據(jù)混凝土內(nèi)部溫度分布特征，第1～3層在厚度方向共布設(shè)4層冷卻水管，第1，3層在層中各布設(shè)1層，第2層均勻布設(shè)2層。冷卻水管采用直徑42.3 mm×3.25 mm的輸水黑鐵管，水管水平間距1.2 m，水管通水前進行壓水試驗，防止管道漏水、阻水。

1.4混凝土養(yǎng)生

大體積混凝土的裂縫，特別是表面裂縫，主要是由于內(nèi)外溫差過大產(chǎn)生的。澆筑后，通過加強混凝土養(yǎng)生，控制混凝土內(nèi)部和表面溫度差，是防止混凝土開裂的關(guān)鍵措施之一[2-3]。具體措施可以在每層混凝土澆筑完畢，待混凝土終凝后在承臺周圍搭建暖棚進行保溫，在內(nèi)通蒸汽或采用電加熱等措施，控制混凝土表面溫度與內(nèi)部中心溫度或外界氣溫的差值，防止混凝土表面開裂。

2　有限元仿真計算檢驗

2.1有限元計算模型

上述措施能否控制住大體積混凝土內(nèi)部和外表面溫度差，避免產(chǎn)生溫度裂縫，針對本橋具體施工方案，采用有限元軟件MIDAS進行模擬仿真分析。考慮承臺是對稱結(jié)構(gòu)，取結(jié)構(gòu)的1/2進行有限元劃分[4]，計算模型共有單元11 268個，節(jié)點13 144個，有限元模型如圖2。

圖2　承臺離散模型圖

根據(jù)分層分塊方案，模型中劃分3個施工節(jié)段，第一施工節(jié)段為澆筑封底混凝土和承臺第1層，第二施工節(jié)段為澆筑承臺第2層，第三施工節(jié)段為澆筑承臺第3層，在各施工階段通過每層混凝土單元的激活來模擬混凝土的澆筑。

2.2計算參數(shù)的選取

混凝土材料及相關(guān)熱特性值參數(shù)見表2，根據(jù)水泥水化熱公式

求得最大絕熱溫升為

承臺的邊界模擬可分為固定溫度邊界條件和對流邊界條件，其中封底混凝土采用固定溫度邊界條件，周圍模板或空氣和表面蓄水采用對流邊界條件，各種邊界對流系數(shù)見表2。冷卻水的模擬按冷卻管的實際布置確定冷卻水的流動方向，并設(shè)定冷卻水流入溫度及流速等參數(shù)。

表2　結(jié)構(gòu)材料溫度特性參數(shù)表

2.3計算結(jié)果分析

通過建模分析，可得承臺模型各特征點溫度和應(yīng)力時程圖，以及各個特征時刻溫度場和應(yīng)力場云圖，現(xiàn)選取分別位于第1，2，3層混凝土內(nèi)部中心點的特征點1 923，4 405，7 341，和分別位于第1，2，3層混凝土表面點特征點1 926，4 996，7 740提取這6點的溫度時程圖見圖3，同時提取了各層在溫度最高時的溫度場結(jié)果見圖4。從特征點溫度時程結(jié)果中可看出，水化反應(yīng)初期，溫度上升很快，隨后慢慢下降，第1層在混凝土澆筑后約80 h溫度達到峰值，第2層在混凝土澆筑后約70 h溫度達到峰值，第3層在混凝土澆筑后約60 h溫度達到峰值，同時內(nèi)外溫差也達到峰值。

圖3　各特征點溫度時程圖

a)第1層澆筑后80 h溫度場b)第2層澆筑后70 h溫度場c)第3層澆筑后60 h溫度場

圖4各層溫度最高時溫度場

從各層最高溫時溫度場可以看出，第1層最高溫度達63 ℃，第2層最高溫達65 ℃，第3層最高溫達61 ℃，內(nèi)外溫差最大約為27 ℃左右。

同時為防止承臺因溫度應(yīng)力過大而開裂，在計算結(jié)果中也提取了各層在溫度最高(即內(nèi)外溫差最大)時的應(yīng)力場結(jié)果見圖5，從應(yīng)力圖可看出應(yīng)力總體在容許應(yīng)力范圍之內(nèi)。

a)第1層澆筑后80 h應(yīng)力場b)第2層澆筑后70 h應(yīng)力場c)第3層澆筑后60 h應(yīng)力場

圖5各層溫度最高時應(yīng)力場

3　監(jiān)測結(jié)果分析

3.1測點布置

根據(jù)溫控計算成果，為做到信息化施工，真實反映承臺混凝土的溫控效果，以便出現(xiàn)異常情況及時采取有效措施，在承臺混凝土中每層布置9個測點。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點布置在上游承臺1/4范圍并沿水平方向布置，3層測點平面位置布置相同。

3.2溫度測試結(jié)果分析

每一測點當(dāng)混凝土澆筑至其完全覆蓋后開始觀測，升溫期每間隔約2～4 h對所有測點進行循環(huán)觀測，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測所測溫度，繪制各溫度測點的溫度-時程曲線。

通過對數(shù)據(jù)進行分析比較，可以得出以下結(jié)論。

(1) 承臺混凝土溫度變化都有急劇的升溫和緩慢降溫的特征，直到最后達到穩(wěn)定階段。升溫達到峰值后，高溫峰值時間較短，與理論計算趨勢一致。承臺第1層～第3層各層斷面各測點平均最高溫度均滿足要求。

(2) 承臺各層混凝土最大內(nèi)表溫差均控制在25℃以內(nèi)，承臺沒有出現(xiàn)因內(nèi)表溫差而產(chǎn)生的溫度裂縫。

(3) 根據(jù)溫度監(jiān)測結(jié)果，通過控制冷卻管水的流量，對各層最大降溫速率進行調(diào)節(jié)，達到了早期削減溫峰及防止溫度回升的效果。

4　結(jié)語

在大體積預(yù)應(yīng)力混凝土澆筑過程中，首先要根據(jù)現(xiàn)場實際情況采取優(yōu)化混凝土配合比、分塊分層澆筑、埋設(shè)冷卻管和蓄水養(yǎng)生等溫控措施，并用有限元軟件進行仿真模擬，為方案提供理論依據(jù)，保證方案可行性，同時與現(xiàn)場實測溫度相結(jié)合，指導(dǎo)大體積預(yù)應(yīng)力混凝土的施工。從飛龍島大橋承臺混凝土施工的效果來看，本文提出的大體積預(yù)應(yīng)力混凝土的思路和方法是可行的，可為其他類似工程提供一定參考。

參考文獻

[1]朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M].北京:中國電力出版社,1998.

[2]吳文武,瞿明,姜友生，等.陽邏長江大橋大體積混凝土溫升有限元分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2006(4)：95-97.

[3]趙文覺,趙維漢.大體積混凝土水化熱施工期溫度場及應(yīng)力場仿真分析[J].交通科技,2010(3)：96-98.

[4]康志田,余開彪.大體積混凝土溫度應(yīng)力監(jiān)測與裂縫控制研究[J].交通科技，2011(4)：60-62.

收稿日期：2015-03-05

Research on Mass Prestressed Concrete Temperature Control Technology

YeZaijun

(Hubei Transportation Depatment Engineering Quality Supervision Bureau, WuHan 430014, China)

Abstract：Massive prestressed concrete pile caps temperature field model is established by the finite element analysis software to simulate the temperature field in the pile caps casting stage and research the change rule of the temperature field inside the concrete，and also compares the calculated results with the measured values。The theoretical analysis and field temperature monitoring is used to make the temperature control plan and measure in the construction.

Key words:pile caps； mass prestressed concrete； hydration heat； temperature field

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.04.001