付柳源

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引言

在大體積混凝土澆筑施工過程中，由于水泥水化熱的產(chǎn)生，使得混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差較大，產(chǎn)生溫度自應(yīng)力，引起溫度裂縫的產(chǎn)生[1-2]，從而影響結(jié)構(gòu)的正常使用。同時(shí)，拱座是拱式結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須重點(diǎn)考慮的對(duì)象，因此模擬拱座澆筑過程中水化熱的產(chǎn)生并采取相關(guān)溫控措施[3]，通過對(duì)實(shí)體工程合理的監(jiān)控測點(diǎn)布置獲取可靠的水化熱變化數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)來控制施工質(zhì)量顯得尤為重要。

1 工程背景

該橋位于廣西崇左市境內(nèi)，主橋?yàn)榭鐝?60 m的中承式鋼管混凝土提籃拱橋，全橋長968.5 m。其主墩基礎(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ)，基底嵌入完整基巖中，拱座采用C40防水混凝土并分六層進(jìn)行澆筑，層高分別為3 m+2.5 m+2.5 m+2 m+2 m+3 m。詳細(xì)構(gòu)造和混凝土澆筑方量統(tǒng)計(jì)如圖1和表1所示。

圖1 拱座構(gòu)造示意圖

表1 拱座主體澆筑方量統(tǒng)計(jì)表

2 拱座數(shù)值仿真分析

2.1 結(jié)構(gòu)幾何模型及參數(shù)設(shè)置

利用有限元軟件Midas Fea建立本文研究對(duì)象[4]，如圖 2所示。結(jié)構(gòu)通過映射方式生成8節(jié)點(diǎn)六面體單元，節(jié)點(diǎn)數(shù)為56 033個(gè)、單元數(shù)為51 414個(gè)。模型內(nèi)部考慮三種邊界條件：固定約束邊界、對(duì)流熱交換邊界、基礎(chǔ)固定溫度邊界。材料參數(shù)取值見下頁表2和表3。

圖2 拱座模型圖

表2 拱座主體混凝土配合比表

表3 C40拱座混凝土熱工參數(shù)表

2.2 溫度場分布情況

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，在未考慮溫控措施的情況下，澆筑每一層拱座其整體溫度分布情況如圖3～8所示。

圖3 拱座第一層溫度場分布云圖

圖4 拱座第二層溫度場分布云圖

圖5 拱座第三層溫度場分布云圖

圖6 拱座第四層溫度場分布云圖

圖7 拱座第五層溫度場分布云圖

圖8 拱座第六層溫度場分布云圖

拱座施工時(shí)正值廣西6、7月份，境內(nèi)天氣炎熱干燥，假定拱座混凝土的入模溫度為28 ℃。經(jīng)有限元分析計(jì)算，拱座第一層混凝土內(nèi)部中心溫度最高達(dá)68.6 ℃，拱座第二層混凝土內(nèi)部中心溫度最高達(dá)103.8 ℃，拱座第三層混凝土內(nèi)部中心溫度最高達(dá)105.1 ℃，拱座第四層混凝土內(nèi)部中心溫度最高達(dá)101.6 ℃，拱座第五層混凝土內(nèi)部中心溫度最高達(dá)101.1 ℃，拱座第六層混凝土內(nèi)部中心最高達(dá)90.9 ℃。拱座體表比較小，在澆筑過程中，隨著混凝土水化熱的不斷發(fā)生，聚集在其內(nèi)部的熱量得不到完全釋放，而混凝土表面不斷與外界環(huán)境進(jìn)行熱量交換，因此導(dǎo)致混凝土中間內(nèi)部溫度高，表面溫度較低的現(xiàn)象。由于未采取任何溫控措施，澆筑在后一層拱座混凝土?xí)r，受到前一層澆筑完成混凝土的影響，熱交換趨勢更加緩慢，后澆層在方量較大的情況下，內(nèi)部中心溫度愈來愈高。

3 溫控措施

根據(jù)大體積混凝土水化熱數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合大體積混凝土施工技術(shù)規(guī)范，綜合考慮經(jīng)濟(jì)合理及現(xiàn)場施工方便等因素，在拱座主體增加冷卻管作為溫控措施[5-7]，冷卻管布置如圖9所示。在Midas Fea軟件中，冷卻管通過給對(duì)應(yīng)單元施加荷載的方式體現(xiàn)，其中材料參數(shù)如表4所示。

圖9 冷卻管立面布置圖

表4 管冷系統(tǒng)熱工參數(shù)表

4 測點(diǎn)監(jiān)控措施

4.1 測點(diǎn)布置方式

充分考慮監(jiān)測經(jīng)濟(jì)合理性，在拱座1/4結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)布設(shè)溫控傳感器，由于拱座各部分混凝土澆筑時(shí)間上存在差異，在每一拱座澆筑層布設(shè)三層傳感器，布置方式為每一層上下頂?shù)酌? cm及中心位置處，橫向布設(shè)根據(jù)拱座寬度適時(shí)調(diào)節(jié)，具體如圖10～11所示。其中重點(diǎn)監(jiān)控每一層核心區(qū)域處。

圖10 測點(diǎn)布置立面圖

圖11 測點(diǎn)布置平面圖(cm)

4.2 監(jiān)測頻率

在拱座澆筑過程中，入模溫度的測量，每臺(tái)班不應(yīng)少于2次，以實(shí)時(shí)信息反饋更新拱座數(shù)值模型。其中溫控?cái)?shù)據(jù)的監(jiān)測頻率為在1～3 d每4 h一次，3～5 d每2 h一次，5～7 d每4 h一次，共監(jiān)測7 d。

5 監(jiān)測結(jié)果與分析

根據(jù)工程拱座各層測點(diǎn)水化熱的實(shí)際監(jiān)測結(jié)果，與采取溫控措施后的數(shù)值仿真混凝土理論溫度值對(duì)比分析，如表5所示。

表5 拱座水化熱實(shí)測和理論數(shù)據(jù)分析表

由前頁表5可知，拱座采取溫控措施后的水化熱明顯大幅度降低，且現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)與水化熱仿真結(jié)果走勢基本趨于一致[8]。個(gè)別理論數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)存在一定差異，主要源于現(xiàn)場施工環(huán)境溫度較高，入模溫度難以控制。從總體走勢來講，混凝土的水化熱峰值出現(xiàn)在澆筑完成后的前兩三天。此后隨著混凝土齡期的增長，混凝土的溫度逐步降低，滿足內(nèi)部最高溫度均<75 ℃，內(nèi)表溫差<25 ℃，在28°入模溫度基礎(chǔ)上的溫升值≤50 ℃的規(guī)范要求。

6 結(jié)語

(1)結(jié)合工程實(shí)際，分析了拱座溫度場的變化規(guī)律，并根據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果，提出相應(yīng)的溫控措施。通過對(duì)比采取溫控措施和未采取兩種情況表明，布置冷凝管能有效降低大體積混凝土的水化熱[9]。同時(shí)，拱座實(shí)際溫度監(jiān)測結(jié)果和理論分析結(jié)果規(guī)律一致，表明通過對(duì)大體積混凝土澆筑過程進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算科學(xué)有效。

(2)由于拱座澆筑體積較大，與外界接觸不充分，內(nèi)部熱量交換緩慢，應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土的入模溫度，加設(shè)防裂鋼筋網(wǎng)，并加強(qiáng)后期養(yǎng)護(hù)。