代美洪 盛琪根

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074)

大量研究表明，大體積混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫基本都是由于溫度、收縮與徐變引起的，很少是因外荷載造成[1]。大體積混凝土結(jié)構(gòu)在澆筑后幾天(一般3～5 d內(nèi))內(nèi)部溫度急劇升高而與表面產(chǎn)生過(guò)大溫差，表層混凝土約束內(nèi)部混凝土膨脹而產(chǎn)生拉應(yīng)力；待混凝土達(dá)到最高溫度后，隨著混凝土內(nèi)部熱量的散失，混凝土溫度逐漸下降直至穩(wěn)定，在此過(guò)程中混凝土體積發(fā)生收縮，此時(shí)基礎(chǔ)底部附近混凝土?xí)s束混凝土收縮而產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)會(huì)產(chǎn)生貫穿裂縫[2]。

在冬季施工大體積混凝土?xí)r，若直接采用大氣溫度下的水進(jìn)行冷卻，冷卻管附近混凝土與無(wú)冷卻管混凝土間會(huì)形成較大的溫度梯度，而且在降溫階段冷卻管附近混凝土降溫速率遠(yuǎn)大于其他部位的降溫速率，在這種情況下極易使得冷卻管附近混凝土產(chǎn)生裂縫，這些裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展將影響到結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性。因此，在大體積混凝土施工中如何把控進(jìn)水溫度對(duì)結(jié)構(gòu)整體溫度的影響也是技術(shù)人員關(guān)心和研究的問(wèn)題[3]。

通常情況下，有限元軟件對(duì)大體積混凝土結(jié)構(gòu)的“溫度-應(yīng)力”分析非常耗時(shí)，采用先不計(jì)算混凝土的應(yīng)力變化，只計(jì)算混凝土溫度變化情況，在溫度滿足要求的情況下再進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算的計(jì)算方案，會(huì)在一定程度上縮短計(jì)算時(shí)間。

本文通過(guò)數(shù)值模擬方式對(duì)冷卻管不同進(jìn)水溫度工況下冷卻管附近混凝土溫度、混凝土最大溫度峰值及冷卻管附近混凝土降溫速率進(jìn)行計(jì)算，從而選擇最佳冷卻管進(jìn)水溫度，在此冷卻管進(jìn)水溫度下，計(jì)算承臺(tái)混凝土的“應(yīng)力-允許應(yīng)力”時(shí)程曲線。在應(yīng)力計(jì)算結(jié)果中，保證應(yīng)力時(shí)程曲線皆在允許應(yīng)力時(shí)程曲線范圍內(nèi)時(shí)，承臺(tái)結(jié)構(gòu)便不會(huì)出現(xiàn)有害裂縫。在避免大體積混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫的方式中，用冷卻管降低大體積混凝土水化熱是有效方式之一，而采用合適的冷卻管進(jìn)水水溫是冷卻管降低水化熱的關(guān)鍵。

1 工程概況

重慶長(zhǎng)江大橋是重慶六縱線跨長(zhǎng)江的節(jié)點(diǎn)工程，橋梁全長(zhǎng)1 403.8 m，主橋采用單孔懸吊雙塔三跨連續(xù)鋼桁梁懸索橋，主橋橋跨布置為75 m+720 m+75 m，主橋跨徑870 m。大橋P5主塔基礎(chǔ)采用承臺(tái)下接鉆孔灌注樁形式，承臺(tái)總長(zhǎng)69.6 m，承臺(tái)厚6 m，承臺(tái)俯視圖見(jiàn)圖1。

圖1 承臺(tái)俯視圖(單位：cm)

為防止?jié)仓^(guò)程中，因水化熱釋放溫度過(guò)高導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂，采用分層澆筑方式，每層澆筑高度為3 m，橫橋向中部預(yù)留2 m寬后澆帶。

2 混凝土熱力學(xué)參數(shù)計(jì)算

2.1 熱力學(xué)參數(shù)的確定

承臺(tái)采用混凝土標(biāo)號(hào)為C40，其配合比見(jiàn)表1。

表1 C40混凝土配合比

膠凝材料水化熱總量根據(jù)GB 50496-2018《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》[4]中式(1)進(jìn)行計(jì)算。

Q=kQ0

(1)

式中：Q為膠凝材料水化熱總量，kJ/kg；Q0為膠凝材料水化熱總量，kJ/kg；k為不同摻量摻合料水化熱調(diào)整系數(shù)，當(dāng)采用粉煤灰與礦渣粉雙摻時(shí)，不同摻量摻合料水化熱調(diào)整系數(shù)可按式(2)計(jì)算。

k=k1+k2

(2)

式中：k1為粉煤灰摻量對(duì)應(yīng)的水化熱調(diào)整系數(shù)；k2為礦渣粉摻量對(duì)應(yīng)水化熱調(diào)整系數(shù)。

2.2 混凝土絕熱溫升計(jì)算

在絕熱環(huán)境下，大體積混凝土澆筑后其溫度會(huì)持續(xù)上升，其溫度變化按式(3)計(jì)算。

(3)

式中：T(t)為混凝土齡期為t時(shí)的絕熱溫升，℃；W為混凝土的膠凝材料用量，kg/m3；c為混凝土的比熱容，kJ/(kg·℃)；ρ為混凝土的質(zhì)量密度，kg/m3；m為與水泥品種、用量和入模溫度等有關(guān)的單方膠凝材料對(duì)應(yīng)系數(shù)；t為混凝土齡期，d。

3 有限元溫控分析

采用midas FEA有限元實(shí)體軟件進(jìn)行分析， 由于承臺(tái)結(jié)構(gòu)對(duì)稱，建模選取下游1/2承臺(tái)進(jìn)行分析[5]，為了更好地反映承臺(tái)澆筑后溫度變化，此次建模還包含部分地基模型(見(jiàn)圖2)，地基底部施加固結(jié)約束與強(qiáng)制溫度，由于承臺(tái)澆筑時(shí)留有后現(xiàn)澆帶，所以邊界中無(wú)對(duì)稱邊界，均為對(duì)流邊界[6]。

圖2 承臺(tái)有限元模型(含冷卻管)

3.1 模型計(jì)算參數(shù)確定

模型的計(jì)算結(jié)果要有準(zhǔn)確性，其模型的參數(shù)確定是重中之重，本次模型參數(shù)取值將結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)與GB 50496-2018 《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》確定。

P5承臺(tái)澆筑施工正值12月份-次年1月份，大氣溫度按照正弦函數(shù)取值，大氣平均溫度取10 ℃、溫度變化幅度為5 ℃；地基土的溫度按20 ℃計(jì)算，參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算模型參數(shù)表

3.2 冷卻管布設(shè)

此次承臺(tái)首層澆筑高度為3 m，大于混凝土臨界澆筑厚度2 m，必須采用溫控措施[7]。承臺(tái)大體積混凝土施工采用直徑×壁厚=50 mm×3.25 mm黑鐵管輸水冷卻，流量為2.2 m3/h，對(duì)流系數(shù)為1 094 kJ/(m2·h·℃)，承臺(tái)施工時(shí)布設(shè)6層冷卻管，冷卻管水平間距1.2 m，冷卻管分別位于距每層頂面和底面50 cm處，層距1 m，偶數(shù)層與奇數(shù)層交替布置，冷卻管布置方式見(jiàn)圖3。

圖3 冷卻管平面布置圖

3.3 冷卻管進(jìn)水溫度確定

由于承臺(tái)施工時(shí)平均氣溫低，為保證承臺(tái)施工質(zhì)量，先采用有限元軟件模擬冷卻管在不同進(jìn)水溫度工況下承臺(tái)的最大溫升值及降溫速率，從而確定冷卻管的最佳進(jìn)水溫度，避免實(shí)際工程中因進(jìn)水溫度變化而導(dǎo)致實(shí)際結(jié)構(gòu)水化熱與計(jì)算溫度吻合程度差、水化熱難控制等問(wèn)題。

在10，20，30，32，35，40 ℃進(jìn)水溫度工況下，分別得出冷卻管附近混凝土溫度、混凝土最大溫度峰值及混凝土降溫速率，見(jiàn)表3。

表3 不同進(jìn)水溫度對(duì)混凝土溫度的影響

由表3可見(jiàn)，冷卻管進(jìn)水口溫度越低，其附近混凝土溫度與最大溫度的差值就越大，形成更大的溫度梯度，雖然能降低混凝土的最大升溫值，但冷卻管附近溫度降得更低；同時(shí)在降溫階段不同的水溫對(duì)降溫速率影響很大，通過(guò)模型分析結(jié)果來(lái)看，此次承臺(tái)澆筑冷卻管進(jìn)水溫度采取32 ℃能夠滿足要求。

3.4 有限元結(jié)果提取

3.4.1溫度結(jié)果分析

取承臺(tái)第一次澆筑后為例進(jìn)行分析，首層澆筑溫度云圖見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)模型計(jì)算得出首層承臺(tái)在澆筑后48～54 h時(shí)溫度達(dá)到峰值，最大溫度位于承臺(tái)中心位置以上0.5 m，最大溫度值為65.1 ℃，而承臺(tái)的中心位置布設(shè)有冷卻管，其最大溫度為56 ℃，相比于中上無(wú)冷卻管層最大溫升值低了9.1 ℃，且中間有冷卻管位置到達(dá)最大溫度的時(shí)間相較于無(wú)冷卻管層位置延遲了10～12 h，結(jié)果表明，冷卻管不僅可以直接通過(guò)熱量交換來(lái)降溫，而且還可以減緩膠凝材料的反應(yīng)速率。

圖4 首層澆筑溫度云圖(單位：℃)

取承臺(tái)底層以上50 mm中心節(jié)點(diǎn)(N:2990)、中間層中心節(jié)點(diǎn)(N:10112)、中上層(中間層上0.5 m處)中心位置節(jié)點(diǎn)(N:12911)及表層以下50 mm中心節(jié)點(diǎn)(N:17052)作為特征點(diǎn)進(jìn)行研究，提取各特征點(diǎn)溫度時(shí)程圖見(jiàn)圖5。

圖5 各特征點(diǎn)溫度時(shí)程圖

由圖5可見(jiàn)，第一層澆筑承臺(tái)的中間層位置布設(shè)有冷卻管，所以中間層中心位置的最高溫度比其上0.5 m處低了9 ℃，可以看出冷卻管對(duì)于控制混凝土的最大溫升有著明顯的效果。N:10112節(jié)點(diǎn)由于在冷卻管附近，相較于N:12911節(jié)點(diǎn)的溫升速率較緩，在降溫段，其降溫速率也相對(duì)緩和一些，從結(jié)果來(lái)看，大體積混凝土在溫升過(guò)程中，在散熱條件好的情況下，其達(dá)到最高溫度時(shí)間會(huì)延遲，而相對(duì)于表層與冷卻管附近，中上層中心和底層中心散熱較差，其溫升峰值會(huì)更早到來(lái)，其溫度隨時(shí)間的變化也更劇烈，這對(duì)大體積混凝土的溫度控制是不利的，所以布設(shè)冷卻管在溫升階段會(huì)降低水化熱的最大溫升峰值，同時(shí)在降溫階段還能防止混凝土降溫速率過(guò)快。

3.4.2應(yīng)力結(jié)果分析

在大體積混凝土施工期間，容易產(chǎn)生自約束裂縫和外約束裂縫，為了保證大體積混凝土的施工質(zhì)量，必須對(duì)混凝土的應(yīng)力進(jìn)行分析，分別對(duì)節(jié)點(diǎn)(N:2990)、(N:10112)、(N:12911)及(N:17052)特征點(diǎn)進(jìn)行“應(yīng)力-允許應(yīng)力”分析，其分析結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 特征節(jié)點(diǎn)應(yīng)力-允許應(yīng)力時(shí)程圖

由圖6可以看出，底層位置的特征點(diǎn)(N:2990)在6.5 d后應(yīng)力開(kāi)始增長(zhǎng)，此時(shí)底層混凝土溫度下降到32 ℃左右，在后續(xù)的降溫過(guò)程中，由于基底混凝體受到基底的約束而產(chǎn)生拉應(yīng)力，在14 d后其拉應(yīng)力未超過(guò)1.5 MPa，從其應(yīng)力的趨勢(shì)來(lái)看，不會(huì)超過(guò)允許拉應(yīng)力；中層位置節(jié)點(diǎn)處(N:10112)澆筑后4 d左右由于冷卻管的降溫作用，冷管附近混凝土降溫較快，產(chǎn)生拉應(yīng)力，但未超出允許拉應(yīng)力范圍，在4 d后，溫降速率變緩，拉應(yīng)力開(kāi)始減??；中上層節(jié)點(diǎn)(N:12911)位于最大溫升層，混凝土在升溫期受到壓應(yīng)力，后續(xù)的降溫階段拉應(yīng)力也很小，表層特征節(jié)點(diǎn)(N:17052)處由于受到外界環(huán)境的影響較大，其應(yīng)力一直處于受拉狀態(tài)，但是拉應(yīng)力均在允許應(yīng)力范圍內(nèi)，從各層應(yīng)力特征點(diǎn)的“應(yīng)力-允許應(yīng)力”時(shí)程圖結(jié)果來(lái)看，承臺(tái)在澆筑及冷卻過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)因溫度梯度太大而出現(xiàn)拉裂的情況。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

4.1 傳感器布置

選取下游1/2承臺(tái)進(jìn)行分析，實(shí)測(cè)布置11個(gè)測(cè)區(qū)，每層混凝土澆筑時(shí)每個(gè)測(cè)區(qū)布置4個(gè)傳感器，依次為混凝土底層、中層、中上及表層部位，其中底層測(cè)點(diǎn)距混凝土底面以上50 mm處，最外側(cè)傳感器與結(jié)構(gòu)外緣保證50 mm厚度，表層測(cè)點(diǎn)布置在混凝土表層以下50 mm處，具體布置見(jiàn)圖7。

圖7 溫度傳感器布置圖(單位：cm)

4.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果

由于篇幅原因，本文只取3個(gè)代表測(cè)區(qū)進(jìn)行分析，分別為承臺(tái)邊緣1號(hào)測(cè)區(qū)、中心4號(hào)測(cè)區(qū)及現(xiàn)澆帶位置11號(hào)測(cè)區(qū)，其結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 各測(cè)區(qū)實(shí)測(cè)-計(jì)算溫度對(duì)比圖

從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，最大溫度出現(xiàn)在中心4號(hào)測(cè)區(qū)的中上層測(cè)點(diǎn)，最大溫度為64.9 ℃，最大溫度出現(xiàn)時(shí)間為澆筑開(kāi)始后78 h，減去施工時(shí)間32 h，最高溫度實(shí)測(cè)值出現(xiàn)在澆筑后46 h，與計(jì)算值基本符合。4號(hào)測(cè)區(qū)底層、中層及中上層與計(jì)算值吻合均較好，表層實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)略低于計(jì)算值。

1號(hào)測(cè)區(qū)與11號(hào)測(cè)區(qū)位于承臺(tái)邊緣，受外界環(huán)境影響較大，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的吻合程度相對(duì)差一些。

5 結(jié)論

1) 此次承臺(tái)采用直徑×壁厚為50 mm×3.25 mm黑鐵管輸水冷卻，流量為2.2 m3/h，進(jìn)水溫度控制為32 ℃，奇偶數(shù)層冷卻管交替布置，澆筑后中心區(qū)域冷卻管附近溫度比最高溫度低8～9 ℃，承臺(tái)澆筑后無(wú)有害裂縫發(fā)生，表明此種冷卻管布置方式能有效控制混凝土的水化熱。

2) 冷卻管附近到達(dá)最大溫升的時(shí)間相比于無(wú)冷卻管地方混凝土到達(dá)最大溫升時(shí)間延遲10～12 h，可見(jiàn)混凝土溫度越高時(shí)其反應(yīng)越快，冷卻管不僅能降低混凝土水化熱溫度峰值，還能延緩最大溫升峰值到來(lái)時(shí)間，這對(duì)大體積混凝土溫控是有利的。

3) 大體積混凝土在冬季施工時(shí)，循環(huán)用水箱應(yīng)有加熱裝置及保溫功能，冷卻管進(jìn)水溫度應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱處理，采用溫水去冷卻混凝土，避免低溫冷水導(dǎo)致冷卻管附近混凝土降溫過(guò)快形成較大的溫度梯度，從而產(chǎn)生裂縫。

4) 在冬季施工澆筑大體積混凝土?xí)r，可在澆筑完成后24 h進(jìn)行表層保溫措施，在表面覆蓋土工布或用冷卻管循環(huán)水進(jìn)行保溫，防止表層溫度過(guò)早開(kāi)始降溫與降溫過(guò)快，當(dāng)江邊風(fēng)速較大時(shí)，須在承臺(tái)迎風(fēng)面設(shè)擋風(fēng)措施。