大體積高強度混凝土空心墩柱溫控研究

張思天 何雄君 何振建

(武漢理工大學交通與物流工程學院 武漢 430070)

在大體積混凝土施工過程中,由于水泥水化熱的作用,混凝土會釋放出大量的熱量,不僅容易產生混凝土結構的溫度變形,且如果溫度不能得到有效控制,還容易產生溫度裂縫,從而影響結構的耐久性和完整性[1-2]。因此,研究大體積混凝土結構的溫度場分布規律,根據施工現場實測溫度情況采取合適的溫控措施,對保證大體積混凝土的施工質量具有重要意義。

我國目前對于控制大體積混凝土結構溫度裂縫方面的研究較為廣泛。文獻[3]等使用midas/FEA有限元軟件,結合當地數據研究并評價了大體積基礎的溫控措施。文獻[4]等通過有限元軟件midas Civil對比了自然冷卻狀態下與通水冷卻情況下大橋錨固大體積混凝土的溫度場和應力場,并結合模擬數據對現場施工提出了指導意見。文獻[5]同樣采用水管溫控方案控制橋梁墩柱承臺大體積混凝土施工溫度,并從混凝土配合比、攪拌方案,及養護方案等多方面進行控制,從而提高結構的抗裂性能。雖然對大體積混凝土溫控方法的研究已經較為全面[6-7],但在實際工程中仍會遇到許多問題。近年來懸索橋、斜拉索橋的索塔承臺、墩柱逐漸趨向于大型化和復雜化,且與水工壩、承臺、錨固基礎等結構相比,墩柱采用的混凝土等級較高,并常為不規則的空心構造,因此其溫控方案依舊待探討和研究。

文中以安徽馬鞍山市馬鞍山公鐵兩用長江大橋主塔下塔柱第一施工節段為研究對象,運用有限元軟件midas Civil建立塔柱1/2水化熱三維模型,對塔柱水化放熱過程和溫控方案進行分析設計,并結合現場監控數據對本次工程中選用的冷管系統和溫控措施進行評價和分析,為以后類似工程問題提供參考意見。

1 工程概況

馬鞍山公鐵兩用長江大橋在常合高速馬鞍山長江公路大橋上游約2.3 km處姑孰橋位跨越長江,采用三塔鋼桁梁斜拉橋橋型,跨江段總長9.799 km,主跨1 120 m。主塔采用鋼-混結構,下塔柱采用C60混凝土,單箱單室五邊形截面,縱、橫向壁厚為1.8 m,塔柱內側設置0.5 m×0.5 m的倒角,沿高度分5層施工。

下塔柱大體積混凝土施工溫控與常規承臺等形狀規整的普通混凝土大體積混凝土結構施工溫控相比,具有構形復雜,大體積混凝土水化熱等規律研究較少等特點。溫控的主要內容如下:①對高標號、復雜構形大體積混凝土施工過程溫度場和溫度應力進行計算分析;②確定溫控指標與溫控措施;③對大體積混凝土溫度場進行實時檢測;④對于溫控檢測結果進行分析和總結。

2 墩柱溫度監控

2.1 溫控設備

為了準確監控混凝土溫度,本次施工采用多點無線溫度自動測試系統。該系統是一種功能強大的分布式、全自動、多點溫度靜態數據無線采集系統。由控制單元、采集單元,以及系統軟件組成,系統可配接各種溫度傳感器。系統采用分布式結構,每個采集單元的任意通道可接入各種溫度傳感器,且能任意組成8～2 000測點的自動化測量系統。該系統無線傳輸方案見圖1,可長期、自動地對墩柱進行遠程無線監控。

圖1 測溫儀器無線傳輸方案

2.2 溫度測點布置

根據結構對稱性的特點,選取1/2結構作為主要的測試區域。根據溫度場分布規律與有限元軟件模擬,以及冷卻水管的位置、進出水口的位置,選擇在溫度波動較大的中心處、邊緣易受外界溫度影響和流失熱量處,以及倒角處設置共計4層測點,溫控測點布置圖見圖2。

圖2 溫控測點布置圖(單位:cm)

2.3 測溫方案

溫度監測主要內容包括環境體系溫度測量與混凝土溫度場測量。環境溫度包括大氣溫度、冷卻水進水、出水溫度等?，F場監測要求:

1) 澆筑塊溫度測量:升溫階段每2 h監測1次,混凝土中心測點溫度不再上升后每4 h監測1次,持續5 d,然后轉入每天測2次,直到溫度變化基本穩定。

2) 大氣溫度測量:與澆注塊溫度場測量同步進行。

3 溫度場計算及溫控方案設計

3.1 混凝土澆注溫度

混凝土入模溫度的控制是工程上用于降低溫度應力從而減少溫差裂縫的重要手段, 在大體積混凝土工程中更是必不可少的防裂措施。入模溫度控制要求限制溫度最高值和最低值,夏季炎熱天氣下需要采取措施降溫,冬季施工要求保溫,提高混凝土溫度以確保水化反應的順利進行。綜合馬鞍山市當地春季氣溫,取混凝土澆筑溫度為20 ℃。

3.2 材料參數

在midas Civil的計算分析中,結合配合比和有關設計規范,具體參數取值如下。

1) 墩柱C60混凝土的強度增長曲線按照CEB-FIP規范經驗公式進行選取。

2) 主橋塔柱混凝土施工用C60高性能混凝土PHB2021-13。利用加權平均法求解比熱容c及導熱系數λ。

c=∑ciδi

(1)

λ=∑λiδi

(2)

式中:ci為各種材料比熱容, kJ· (kg·℃)-1;δi為各種材料質量百分比。具體計算參數見表1。

表1 混凝土材料相關參數

3.3 冷卻水管參數

冷卻水管采用鍍鋅鋼管,控制參數見表2。

表2 冷卻水管熱性能參數

冷卻水管的導熱方程參考文獻[8]方法計算。

(3)

式中:θ為混凝土溫度,℃;θ0為混凝土初始溫度,℃;θw為冷卻水流入溫度,℃;t為時間,h;a為導溫系數a=λ/cρ,m2/h;φ為水冷系數;K為混凝土絕熱溫升,℃;Φ為水冷溫升函數;λ為導熱系數,kJ/(m2·h·℃);c為比熱容,kJ/(kg·℃);ρ為密度,kg/m3。

3.4 熱源函數

本次計算使用midas Civil內置默認熱源函數,計算公式為

F(t)=K(1-e-at)

(4)

式中:F(t)為熱源函數;K為混凝土的絕熱溫升值,根據現場提供的檢測報告,C60主橋塔柱混凝土的絕熱溫升值為43.95 ℃;a為常數,與水泥種類、比表面,以及澆筑溫度有關。

3.5 邊界條件

光滑表面在空氣中的放熱系數約為64 kJ/(m2·h·℃) ,水的導熱系數為2.16 kJ/(m2·h·℃),取等效換熱系數約為9.3 kJ/(m2·h·℃)。承臺基礎表面與已經澆筑的2 m段暴露于空氣之中,取大氣的自然熱交換系數2.78 kJ/(m2·h·℃)。承臺基礎底端與地表連接部分取固定溫度為20 ℃。

3.6 計算模型

根據墩柱平面尺寸和冷卻水管布置的對稱性,墩柱的水化熱計算模型取墩柱平面的1/2進行分析。在對墩柱混凝土的水化熱有限元仿真計算中,主要考慮了水泥絕熱溫升、混凝土的強度和彈性模量增長曲線、冷卻水管等參數,以及墩柱上表面及側面的對流邊界。為簡化計算,忽略了混凝土澆注過程中的散熱、混凝土鋼筋的影響,及外加劑減緩混凝土水化熱的作用。

塔柱的有限元仿真計算模型圖見圖3。

圖3 計算模型及冷卻水管布置

節點數為37 242,劃分單元數32 064。建模包含了施工段4 m混凝土、已經澆筑完成的1.5 m承臺,以及2 m墩柱。冷卻水管分4層設置共10條,設置共4組進、出水口。

3.7 溫控方案

內部降溫和表面保溫措施見表3。在溫控實施過程中,根據施工當時氣候情況、 現場條件、 以及混凝土溫度場監測實時結果,以下溫控措施可能需要適當調整。

表3 內部降溫和表面保溫措施

4 結果分析

4.1 溫度實測值與計算值對比

澆筑后混凝土的溫度變化理論計算值與實測值的對比見圖4。由圖4可知,墩柱大體積混凝土溫度理論計算值與實測值的變化規律均表現為在澆筑后快速上升,到達頂點維持較短時間后迅速下降,最后逐漸變緩直至達到環境溫度?；炷羶炔肯鄬Ρ砻?與外界的熱對流交換效應少,因此在受水化熱影響下短時間內達到較高溫度,在水化熱效應衰退后熱量散失相較表層更慢。

圖4 墩柱混凝土溫度時程圖

實測值于54 h后達到最高溫度55.1 ℃,有限元模擬值于60 h后達到最高溫度49.22 ℃。實測與模擬溫度最大值出現的時間點和位置較為接近,證明了有限元模擬結果的可參考性。內、外溫差和外表面與環境溫差時程圖見圖5,在監控過程中墩柱混凝土內部與表面溫差始終小于20 ℃,混凝土表面與環境溫差基本小于20 ℃,混凝土的最大溫升與升溫、降溫速度均在可控范圍內,證明在混凝土澆筑后采取的一系列溫控措施有效。在有限元模擬值中,冷卻水溫度時刻維持設定值,而實際情況中冷管內部冷卻水在循環過程中會逐漸升溫,導致中心實測溫度較模擬值偏高。實際施工時氣溫低于有限元模擬設定氣溫,導致外表面實測溫度較模擬值偏低。

圖5 內外溫差和外表面與環境溫差時程圖

4.2 無冷卻水管溫度場分布規律

在已有的有限元模型參數中刪去冷卻水管布置,其他參數保持不變即可得到無冷卻水管作用下空心墩柱溫度場分布情況。無冷卻水管作用下各斷面的溫度場分布圖見圖6,選取距離頂部2 m的水平斷面。由圖6可知,在澆筑初期墩柱內混凝土水化放熱作用強烈,水泥水化作用產生的熱量大于外界對流的散熱量,且越靠近內部的混凝土與外界的對流散熱效應越弱,此階段高溫區域逐漸變大。當混凝土溫度達到最大值后,對流散熱開始超過水泥水化作用產熱,混凝土的溫度開始由外向內逐漸降低,高溫區域逐漸減小,并最終與環境溫度保持一致。在約100 h時達到最高溫60.50 ℃,此時混凝土高溫區域已經開始減小,但墩柱中心仍保持較高的溫度。

圖6 溫度場分布云圖

墩柱混凝土垂直方向內部溫度變化的時程圖見圖7。

圖7 垂直方向內部溫度變化時程圖

由圖7可知,所有測點的溫度變化規律均表現為先迅速上升,到達最高點后再迅速下降,且降溫速度逐漸變慢。在溫度變化的垂直分布上,可以明顯看出相對高溫區域有由中心逐漸下移的趨勢。在升溫階段,底部混凝土由于與導熱率較高的固體相連,因此靠下的測點最終升溫較低。在降溫階段,由于上部熱量的傳導,且墩柱本身截面為梯形,底部混凝土厚度較大產熱較多,因此后期靠下的測點降溫較慢,溫度反而超過了靠上的測點。

與常規承臺等形狀規整的普通大體積混凝土結構相比,墩柱采用的混凝土級別較高,水泥水化作用放熱更為劇烈,結構整體厚度較薄,溫度分布不均勻且升溫、降溫的速率快,容易由于存在較大的溫差而產生裂縫,因此需要適當的溫控措施進行預防。

4.3 冷卻水管作用分析

施工全程對進出口水溫進行了檢測。實測在整個施工階段,出水口最高溫度為38.7 ℃,小于40 ℃且與進水口溫差不大于10 ℃。此水溫能有效將混凝土中心熱量帶出從而降低混凝土內部溫度,同時也能防止進出水口溫差過大而產生收縮裂縫。對比有、無冷卻水管的情況,混凝土內、外最大溫差圖見圖8。

圖8 有、無冷卻水管作用內、外溫差對比圖

由圖8可知,無冷卻水管狀態下混凝土內、外最大溫差理論值為23.69 ℃。在實際工程中使用冷卻水管降溫后內、外最大溫差實測最大值為19.4 ℃,處于規范值25 ℃以下,相對無冷卻水管的理論值減少了4.29 ℃,證明了冷卻水管系統的有效性。

4.4 溫控效果評價

在整個施工過程中混凝土內、外最大溫差為19.4 ℃,處于規范值25 ℃以下。單日最大降溫值3.5 ℃,稍高于規范值2.0 ℃/d。墩柱最高升溫55.1 ℃,處于規范60 ℃以下。墩柱表面與外部環境最大差值為25.3 ℃,絕大部分時間小于規范值20 ℃。施工完成后墩柱表面沒有發現明顯裂縫,證明所采取的溫控措施發揮了一定的作用。

實際情況中由于施工當時氣候情況、 現場條件等與理想情況存在差異,因此實際結構與理論計算結構存在一定差距。大體積混凝土因為水化熱作用產生溫度裂縫作為工程中的一大難點,在進行預防和控制時要綜合考慮各項因素,采取符合實際情況的預防措施才能將溫度控制指標控制在合理范圍內。

5 結論

1) 墩柱中心最高溫度實測值55.1 ℃,有限元模擬最高溫度為49.22 ℃。實測值與模擬值最大值出現的時間點和位置較為接近。在監控過程中墩柱混凝土內部與表面溫差始終小于20 ℃,混凝土表面與環境溫差基本小于20 ℃,混凝土的最大溫升與升溫、降溫速度均在控制范圍內,證明了有限元模擬結果的可參考性及在混凝土澆筑后采取的一系列溫控措施的有效性。

2) 在垂直分布上,墩柱混凝土內部溫度有由中心逐漸下移的趨勢。大體積高強度混凝土空心墩柱水泥水化放熱作用劇烈,結構整體厚度薄,溫度分布不均勻,升溫和降溫快,容易因存在較大溫差而產生裂縫,因此有必要采取相應的溫控措施進行預防。

3) 在實際工程中使用冷卻水管降溫后內、外最大溫差實測最大值為19.4 ℃,處于規范值25 ℃以下,相對無冷卻水管的理論值減少了4.29 ℃,證明了冷卻水管系統的有效性。實測單日最大降溫值3.5 ℃,稍高于規范值2.0 ℃,此部分控制仍需后續工作進行完善。