陳龍

(中鐵十一局集團(tuán)第一工程有限公司， 湖北 襄陽 441000)

隨著中國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的飛速發(fā)展，中國橋梁工程取得了巨大成就，相繼建成了一批深水基礎(chǔ)、大跨徑、施工難度高的大橋或特大橋，如青島海灣大橋、杭州灣跨海大橋、東海大橋、世界最長跨海大橋——港珠澳大橋等世界級(jí)橋梁。承臺(tái)作為橋梁的關(guān)鍵下部結(jié)構(gòu)，混凝土施工質(zhì)量是保證橋梁基礎(chǔ)安全和耐久性的關(guān)鍵工序。由于承臺(tái)體積大，水化熱高，導(dǎo)致內(nèi)部溫度、內(nèi)表溫差過大，容易產(chǎn)生溫度裂縫，因此，混凝土澆筑過程中需采取溫控措施來保證施工質(zhì)量。

國內(nèi)外學(xué)者利用理論分析、數(shù)值計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐等手段對(duì)大體積混凝土的溫度計(jì)算、溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)分布特征以及現(xiàn)場(chǎng)溫控措施進(jìn)行研究，取得了顯著成果。該文依托南沙港鐵路西江特大橋項(xiàng)目，對(duì)承臺(tái)大體積混凝土的溫控措施進(jìn)行研究，分析大體積混凝土溫度場(chǎng)的分布規(guī)律以及冷卻水管的布置方式，設(shè)計(jì)智能溫度控制系統(tǒng)，并開展現(xiàn)場(chǎng)溫控實(shí)踐，以檢驗(yàn)溫控措施的效果。

1 工程概況

新建南沙港鐵路西江特大橋主橋全長1 118.7 m，為(2×57.5+172.5+600+4×57.5) m鋼箱混合雙主梁等高塔斜拉橋，156#墩為西江特大橋主墩，承臺(tái)尺寸為44.7 m×36.8 m×6 m。承臺(tái)設(shè)計(jì)采用C40混凝土進(jìn)行澆筑，混凝土數(shù)量為9 870 m3。

2 大體積混凝土絕熱溫升的CFD分析

大體積混凝土在澆筑之后的溫度場(chǎng)主要受到內(nèi)部水化熱和自然環(huán)境溫度變化的影響，表面和四周的圍擋覆蓋情況也是重要的影響因素。利用CFD數(shù)值分析技術(shù)對(duì)西江特大橋156#承臺(tái)所用材料進(jìn)行水化熱分析和絕熱溫升計(jì)算，得到自然冷卻時(shí)溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，為后續(xù)分析提供數(shù)據(jù)支撐。

跨西江主橋156#承臺(tái)一次澆筑成型，每立方米混凝土水泥用量為300 kg?？紤]到承臺(tái)水平截面為矩形，選取其1/4對(duì)稱部分作為計(jì)算模型。

為減少網(wǎng)格數(shù)量和計(jì)算量，承臺(tái)底部封底混凝土和四周圍堰不再建立實(shí)體模型，采用參數(shù)輸入的形式給定。承臺(tái)頂部與外界大氣環(huán)境通過對(duì)流換熱的形式進(jìn)行傳熱。采用佛山地區(qū)近10年統(tǒng)計(jì)的8 d最高和最低日平均溫度的逐時(shí)溫度平均值，作為環(huán)境溫度的最不利工況進(jìn)行分析，具體溫度值見圖1。

圖1 大氣干球溫度逐時(shí)分布圖

初始條件：設(shè)定最不利工況，混凝土入模溫度為28 ℃。承臺(tái)混凝土物性參數(shù)如表1所示。

表1 承臺(tái)混凝土物性參數(shù)

為揭示承臺(tái)內(nèi)部溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，設(shè)置2個(gè)監(jiān)測(cè)面，共4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖2所示。其中坐標(biāo)原點(diǎn)位于承臺(tái)底部中心位置，xz與yz平面為承臺(tái)分割面，其對(duì)應(yīng)的兩個(gè)面為承臺(tái)外部側(cè)面。

圖2 溫度檢測(cè)分布

由圖3可知：邊界測(cè)點(diǎn)和中心測(cè)點(diǎn)的溫度變化趨計(jì)算得出各測(cè)點(diǎn)的溫度變化曲線如圖3所示。

圖3 溫度變化曲線

勢(shì)基本一致，隨時(shí)間的增長而增大，增大速率隨著水化熱的減少而降低。中心測(cè)點(diǎn)的溫度最高，頂部測(cè)點(diǎn)溫度最低，最大溫差達(dá)到37.4 ℃，這是由于承臺(tái)芯部產(chǎn)生的水化熱相對(duì)邊界測(cè)點(diǎn)不易散出所致。頂部測(cè)點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)相對(duì)其他測(cè)點(diǎn)比較平緩，由于頂部和大氣環(huán)境接觸，受大氣環(huán)境溫度變化而變化。

計(jì)算得到xz監(jiān)測(cè)面和x方向外側(cè)面的平均溫度如圖4所示。

由圖4可知：承臺(tái)的對(duì)稱面xz監(jiān)測(cè)面的平均溫度變化趨勢(shì)基本一致，對(duì)稱面溫度高于對(duì)應(yīng)外側(cè)面，最大差值為10.5 ℃，可見承臺(tái)側(cè)面圍堰結(jié)構(gòu)對(duì)承臺(tái)起到了一定的“保溫”作用，從而避免了承臺(tái)內(nèi)部和表面出現(xiàn)較大的溫差。

圖4 xz監(jiān)測(cè)面和x方向外側(cè)面平均溫度

圖5為不同時(shí)刻對(duì)稱面和頂面的溫度場(chǎng)分布云圖。

由圖5可知：頂面由于直接和大氣環(huán)境接觸，表面溫度變化不大，而對(duì)稱面溫度逐漸升高，絕大部分區(qū)域溫度趨于一致，在靠近側(cè)面處溫度略有下降，僅在靠近上表面處溫度梯度變化較大。說明承臺(tái)在夏季自然冷卻狀態(tài)下，絕大部分區(qū)域溫度場(chǎng)趨于一致，在靠近外側(cè)面附近溫度略有下降，在靠近頂部附近溫度梯度較大，這是由于承臺(tái)混凝土的導(dǎo)溫系數(shù)小，不利于熱量擴(kuò)散所致。

圖5 不同時(shí)刻對(duì)稱面和頂面的溫度場(chǎng)分布云圖(單位：℃)

3 通水冷卻方案研究

(1) 冷卻水管長度對(duì)散熱的影響特性分析

目前大體積混凝土冷卻水管大多平行布置，管道長度一般小于200 m，根據(jù)混凝土平面尺寸，相應(yīng)布置一根管道或分區(qū)布置多根管道。平行型管道布置方案如圖6所示。

圖6 平行型管道布置方案圖

由圖6可知：在點(diǎn)劃線分割的相鄰管段內(nèi)，由于管內(nèi)水處于湍流狀態(tài)，流速較快，管段兩端水溫變化較小，兩管段內(nèi)水溫相差也較小。結(jié)合前文CFD計(jì)算和大量工程經(jīng)驗(yàn)可知：當(dāng)大體積混凝土外表面散熱量較小時(shí)內(nèi)部溫度場(chǎng)梯度很小，可認(rèn)為圖6中虛線包含的六面體區(qū)間為孤立的傳熱系統(tǒng)，即虛線處可近似認(rèn)為絕熱，建立分析模型如圖7所示。

圖7 絕熱分析模型

模型結(jié)構(gòu)和邊界條件：冷卻水管水平間距和垂直層距均相等，即模型中混凝土截面為正方形，混凝土塊長為100～200 m，冷卻水管直徑為25～80 mm，水的流速為0.5～2.0 m/s，冷卻水進(jìn)口及混凝土入模溫度均為25 ℃。為保證計(jì)算準(zhǔn)確性，設(shè)定水管進(jìn)出口端分別長5 m?；炷翂K外表面為絕熱邊界條件，計(jì)算時(shí)考慮鋼管壁厚和粗糙度等實(shí)際情況。該模型可認(rèn)為是冷卻水管在最不利散熱(側(cè)面由較厚圍堰等圍擋，頂部加水養(yǎng)護(hù)等)條件下的工況。

為掌握管道長度對(duì)散熱的影響特性，設(shè)定模型參數(shù)為：管長分別為100、150和200 m，管間距為1 m，管徑為50 mm，潔凈冷卻水流速為1.5 m/s。共計(jì)算171 h管長對(duì)出水溫度的影響(如圖8所示)。

圖8 管長對(duì)出水溫度的影響

由圖8可知：不同管長時(shí)出水溫度均隨時(shí)間的變化呈駝峰形曲線。管道越長，冷卻水滯留時(shí)間越長，混凝土散熱量越大，冷卻水溫升越大。管長每增大50 m，溫升增大0.5 ℃。

另外，管長增加將導(dǎo)致水流過的路程增加，則會(huì)增大阻力損失。計(jì)算結(jié)果表明：3種管長下的阻力損失分別為43.41、65.12和86.83 kPa，單位長度阻力均為0.43 kPa。顯然，阻力隨管長線性變化，管道長度增加會(huì)加大所需的循環(huán)水泵揚(yáng)程，從而增大水泵功率。在實(shí)際管道布置過程中，管道長度增加還會(huì)增加彎頭數(shù)量，進(jìn)一步增加局部阻力損失，對(duì)水泵的揚(yáng)程和流量需求更大，所以管長應(yīng)盡可能減少。計(jì)算所選擇的長度范圍下，冷卻管道出口水溫升溫最大為2 ℃左右，符合前文模型假設(shè)。

(2) 冷卻水管布置方案研究

根據(jù)前文分析可知：管網(wǎng)的布置和水的流速均影響單位質(zhì)量循環(huán)水載熱能力和水泵的功耗大小。冷卻水管網(wǎng)按照冷卻水由熱中心區(qū)流向邊緣區(qū)的原則分層分區(qū)布置，進(jìn)水管口設(shè)在靠近混凝土中心處，出水口設(shè)在混凝土邊緣處，每層水管網(wǎng)的進(jìn)、出水口相互錯(cuò)開。

考慮到承臺(tái)水平斷面面積較大，貫穿整個(gè)斷面的管道布局將影響冷卻效果，所以采取對(duì)斷面分區(qū)布置管道的方案，如圖9、10所示。

圖9 平行型a方案冷卻水管整體布置圖

圖10 平行型b方案冷卻水管整體布置圖(單位：cm)

管道為DN25的鋼管，水平布局均為平行型，間距分別為93、91 cm，層距為100 cm，每根管長為150 m左右，冷卻水流速控制在1.0 m/s，進(jìn)口溫度控制在25 ℃以下。

經(jīng)水力計(jì)算，a方案的阻力構(gòu)成為150 m沿程阻力+15個(gè)彎頭局部阻力；b方案的阻力構(gòu)成為150 m沿程阻力+40個(gè)彎頭局部阻力，a方案阻力略小15%。但是b方案彎頭增加，將增大水的擾動(dòng)，從而增大傳熱系數(shù)，且冷卻水直接進(jìn)入混凝土芯部，增大芯部傳熱溫差，有利于散熱。整體上b方案冷卻效果優(yōu)于a方案，且對(duì)水泵揚(yáng)程沒有太大的影響。

按照前文冷卻水管道布置方案的分析，對(duì)156#承臺(tái)設(shè)計(jì)結(jié)果如下：

管道布置采用平行型b方案，管道采用φ48 mm×3.5 mm的無縫鋼管，水平布局均為平行型，間距為91 cm，冷卻水流速控制為1.0 m/s，進(jìn)口溫度控制在25 ℃以下。

水平方向：如圖10布置，3根獨(dú)立水管均從左側(cè)直管進(jìn)水，蛇形管出水，其他3/4區(qū)域按對(duì)稱布管。距外表面左右均為45 cm，上下為70 cm。單環(huán)路水管橫向長度為6 m，環(huán)路總長為146 m。

垂直方向：層距為85 cm，共設(shè)置7層水管，第1～7層水管平面距底部的距離依次為0.4、1.25、2.1、2.95、3.8、4.65和5.5 m。

每一分區(qū)7層水管設(shè)置一臺(tái)水泵，由分水器連接21根水管，水泵揚(yáng)程和流量為20 m、150 m3/h。分水器各設(shè)置一個(gè)安全泄水閥以保證后期控制通水速率，管徑為25 mm，分水器出口安裝電磁閥。

混凝土內(nèi)部管道總長146×3×4×7 m=12 264 m，備料時(shí)考慮進(jìn)出水立管布置方式按實(shí)際情況增加。

混凝土澆筑前，冷卻水管確保進(jìn)行不短于1 h的加壓通水試驗(yàn)，查看水流量大小是否合適，發(fā)現(xiàn)管道漏水、阻水現(xiàn)象時(shí)及時(shí)修補(bǔ)。

每層循環(huán)冷卻水管被混凝土覆蓋即可通水，初始抽取深層江水作為冷卻水，后期根據(jù)溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果，通過積水池調(diào)控水溫使進(jìn)水溫度與混凝土內(nèi)部最高溫度小于25 ℃。

待冷卻水管停止循環(huán)混凝土養(yǎng)生完成后，先用空壓機(jī)將水管內(nèi)殘余水壓出并吹干冷卻水管，然后用壓漿機(jī)向水管壓注強(qiáng)度40 MPa以上的微膨脹水泥漿，以封閉管路。

4 智能溫度控制實(shí)踐

(1) 溫度測(cè)點(diǎn)布置

為實(shí)時(shí)監(jiān)控承臺(tái)內(nèi)部的溫度分布情況，需要在內(nèi)部布置溫度測(cè)點(diǎn)。在兩層冷卻水管中間平面沿對(duì)稱軸布置，測(cè)溫點(diǎn)共設(shè)置6層，每層布設(shè)16個(gè)測(cè)點(diǎn)。第1～6層測(cè)點(diǎn)平面距底部距離依次為0.1、0.9、2.5、3.4、5.1和5.9 m。溫度測(cè)點(diǎn)布置如圖11所示，其中N1和N9測(cè)點(diǎn)距離邊界面10 cm，N12距離頂角點(diǎn)15 cm。N13、N14、N15和N16測(cè)點(diǎn)為預(yù)留測(cè)量冷卻水進(jìn)口及兩個(gè)出口的測(cè)點(diǎn)(兩個(gè)出口選擇1/4部分左右兩個(gè)管道出口，中間管道出口不測(cè)量)。

圖11 溫度測(cè)點(diǎn)布置圖(單位：m)

(2) 智能溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

對(duì)每個(gè)管路單獨(dú)控制水流量來控制溫度場(chǎng)。電控系統(tǒng)采用PLC為核心控制器，溫度采集傳感器采用Pt100二線制接線方式，按照測(cè)溫點(diǎn)布置方案預(yù)埋在混凝土內(nèi)部。

(3) 分水器設(shè)計(jì)與安裝

156#承臺(tái)澆筑過程中設(shè)置4個(gè)集分水器，主管管徑為25 cm，長度為2.49 m，主管上焊接6根下支管，下支管上焊接法蘭盤與電磁閥連接，每個(gè)分水器安裝一個(gè)安全泄水閥。下支管長度為17 cm，伸入分水器2 cm，管徑為8 cm，間距為32 cm。集分水器加工圖如圖12所示。

圖12 集分水器加工圖(單位：cm)

上支管管徑為8 cm，上支管1、2、4、5、6長度為41 cm，上支管上分別焊接3根分支管，支管3長度為71 cm，支管上分別焊接6根分支管，分支管管徑為2.5 cm，長度為32 cm，伸入支管2 cm，分支管之間的間距為10 cm，分支管與上支管采用滿焊連接。

(4) 156#承臺(tái)溫控效果分析

156#承臺(tái)歷時(shí)66 h整體一次性澆筑完成。由于正值夏季，天氣炎熱，承臺(tái)坑內(nèi)空氣流通不暢，在日照的作用下大氣、鋼筋和水管溫度均較高，故每根冷卻水管在澆筑混凝土開始之前1 h即通水，智能溫控系統(tǒng)隨即開機(jī)工作，總計(jì)采集了20 d的數(shù)據(jù)。

由于溫控系統(tǒng)的采樣頻率為20 min采集一次數(shù)據(jù)，總數(shù)據(jù)量龐大，故選取3 h作為間隔進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分別選取每層中心4個(gè)測(cè)點(diǎn)(4、5、6、10)及承臺(tái)邊緣處5個(gè)測(cè)點(diǎn)(1、2、8、9、12)進(jìn)行分析。由于篇幅所限，該文僅列出部分區(qū)域測(cè)點(diǎn)的溫度變化曲線，如圖13所示。

圖13 不同位置測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線(注：測(cè)點(diǎn)編號(hào)xyz中，x為第x層,yz為編號(hào))

由圖13可得：

(1) 混凝土澆筑前的溫度為28 ℃左右，空氣環(huán)境溫度為27 ℃左右，冷卻水初始溫度為25 ℃。由于前期水化熱較大，且大于冷卻水帶走的熱量，所以在混凝土澆筑后的36 h內(nèi)，承臺(tái)混凝土內(nèi)部溫度迅速升高。在36 h之后，水化熱產(chǎn)生的熱量小于冷卻水帶走的熱量，溫度開始緩慢下降。

(2) 在同一水平層內(nèi)，中心區(qū)域各測(cè)溫點(diǎn)的升降溫速率比較接近，外表面區(qū)域的升降溫速率也比較接近，且前者大于后者，這是因?yàn)橥獗砻鎱^(qū)域向外界散熱所致。初始下降速率略大，為2.1～3.4 ℃/d，后期下降速率略小，為1～1.3 ℃/d。

(3) 同一水平層內(nèi)，承臺(tái)混凝土內(nèi)部各測(cè)溫點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)基本一致，大部分區(qū)域溫度比較接近，內(nèi)部溫度梯度較小，最高溫度為55 ℃左右。中心測(cè)點(diǎn)溫度相對(duì)不是最大值，這與常識(shí)相悖，原因是冷卻水管道進(jìn)水管在中心部位，溫度較低的冷卻水首先對(duì)中心區(qū)域進(jìn)行冷卻，使其溫度反而略低于大部分區(qū)域?；炷翜囟茸畹吞幬挥诔信_(tái)四周處，此處溫度最高值為45 ℃，說明四周圍堰和環(huán)境加強(qiáng)了散熱，但是由于混凝土導(dǎo)溫系數(shù)較低，造成四周表面處溫度梯度較大。芯表溫差最大為15 ℃左右，也說明圍堰等外部“保溫”效果較好，避免了芯表溫差的增大。

(4) 承臺(tái)頂層溫度相對(duì)較高，而不是隨外界環(huán)境溫度而變化，這是因?yàn)楫?dāng)?shù)貧鉁剌^高，日照強(qiáng)烈，加上采用冷卻水管出水養(yǎng)護(hù)承臺(tái)頂部，使得承臺(tái)頂部形成一個(gè)良好的“保溫層”。

(5) 實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)與前文模擬計(jì)算數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)，相同工況下溫度變化趨勢(shì)基本一致，最高溫度比較接近，說明模擬計(jì)算采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)比較接近實(shí)際。

通過采用智能溫控技術(shù)，承臺(tái)混凝土外觀質(zhì)量得到了保證，表面平整，且無裂縫、蜂窩麻面現(xiàn)象。

5 結(jié)論

(1) 自然冷卻時(shí)，承臺(tái)頂面由于直接和大氣環(huán)境接觸，表面溫度變化不大，承臺(tái)內(nèi)部溫度隨澆筑時(shí)間的增大而升高，速率逐漸降低。內(nèi)部溫度場(chǎng)趨于一致，在靠近外側(cè)面附近溫度略有下降，在靠近頂部附近溫度梯度較大。

(2) 冷卻水管長度對(duì)大體積混凝土的散熱效果影響不大。水平方向分區(qū)對(duì)稱布置管道，通過合理設(shè)置管道參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)良好的降溫效果。

(3) 在承臺(tái)施工過程中設(shè)置智能溫度控制系統(tǒng)，對(duì)冷卻水進(jìn)水溫度、承臺(tái)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)節(jié)，具有較好的溫控效果，可有效保證施工質(zhì)量。