蔡家莊特大橋承臺施工水化熱控制方案與仿真分析

王成仁

(中鐵十八局集團第五工程有限公司,天津市濱海高新區塘沽海洋科技園新北路3199號 300459)

隨著橋梁工程的迅速發展,在實體橋墩、大跨連續梁橋懸臂法施工的主墩0號塊、承臺等結構中存在著大體積混凝土的澆筑問題。大體積混凝土施工中,由于混凝土的水化熱無法迅速散出,導致結構中心區域溫度過高,導致混凝土結構產生裂縫,甚至很嚴重的裂縫導致結構物報廢。因此,大體積混凝土澆筑過程中的水化熱的數值分析和施工中的溫度控制,成為施工技術人員和科研人員關注的熱點問題。

由于在橋梁結構大體積混凝土施工中,水化熱的影響因素很多。諸如水灰比、混凝土結構物的體積、水泥中礦物C3A含量、水泥顆粒的粗細程度、施工中的養護條件、冷卻水管的布置、外加劑(緩凝劑、減水劑等)使用等因素都會對水化熱產生的總熱量、熱量產生的速率產生影響。這也會體現在混凝土結構中的溫度場分布上,影響到冷卻水管的布置。當前,相關技術人員對于這方面的研究集中于澆筑過程的入模溫度[1-4]、冷卻水的效果[5-6]、養護過程的溫度控制[7-10]等方面,很少涉及到溫度場的實際監測方面,且目前也沒有成熟的研究結果。文中對新建和邢鐵路蔡家莊特大橋的大體積承臺混凝土施工進行了水化熱的研究和分析,并進行了施工溫度監測。

1 工程概況

新建和邢鐵路(和順至邢臺)蔡家莊特大橋全長1227.840m,主跨為1跨96m的簡支鋼桁梁。蔡家莊特大橋主墩大承臺為八邊形結構,平面尺寸為12.5m×10.8m(橫橋向×順橋向),承臺高度為3.5m,屬于大體積混凝土結構。主墩承臺采用開挖基坑,鋼板樁圍堰支護施工,承臺頂面設計高3.658m,底面設計標高0.158m,承臺一次性澆筑,圍堰封底混凝土的厚度為2m。承臺構造,如圖1所示。

(a)平面 (b)立面(a)Plan (b)Elevation

2 水化熱控制方案

主墩承臺混凝土一次性澆筑到位,施工中的水化熱控制采用冷卻水管。鋼筋安裝過程中,安裝至冷卻水管高度位置時進行冷卻水管的安裝。根據承臺的形狀和多次的水化熱模擬計算分析結果,科學設計了冷卻水管方案,冷卻水管采用φ32.8×3.2mm鍍鋅管,管間連接采用普通黑膠管。承臺共布置3層冷卻水管。當冷卻水管和承臺鋼筋沖突時,可適當調整冷卻水管位置,但不得切割鋼筋。承臺混凝土采用C35微膨脹混凝土,封底砼采用C20混凝土。

混凝土原材料如下:水泥為英德海螺水泥有限責任公司硅酸鹽P.O.42.5R水泥;粗集料為惠州金磊建材有限公司5～25mm碎石;外加劑為廣東強仕建材有限公司JB-ZSC高性能減水劑。

根據承臺的形狀和樁基的位置,布置了3層冷卻水管,冷卻水管的布置如圖2所示。

(a)第二層水管平面 (b)第一、三層水管平面 (c)水管立面

3 仿真分析

混凝土水化熱的計算參數需要根據規范選取,必須根據混凝土材料的具體參數、邊界條件等進行精確模擬和計算。

3.1 仿真分析參數

1)絕熱溫升。根據《大體積混凝土施工標準》(GB 50496-2018)的相關條款,混凝土絕熱溫升按下式計算:

(1)

式中,Tu為混凝土最終絕熱溫升,℃;W為每立方米混凝土水泥(含膨脹劑)用量,433kg/m3;Q為膠凝材料水化熱,kJ/kg,P.O.42.5R水泥28天放熱375kJ/kg;C為混凝土比熱,kJ/(kg·K),取0.97;ρ為混凝土的容重,2400kg/m3。

W取408kg/m3,并代入前述參數,可知混凝土絕熱溫升約為65℃。

混凝土絕熱溫升函數可按式下式采用:

T(t)=Tu(1-e-mt)

(2)

式中,m為與入模溫度、水泥品種和摻合料有關的系數,根據經驗和實驗室數據,取0.38。

2)混凝土彈性模量的發展?；炷翝仓?其彈性模量隨時間的增長曲線采用四參數雙指數形式,即:

E(t)=βE0(1-e-φt)

(3)

式中,E(t)為混凝土齡期為t時的彈性模量,MPa;E0為混凝土的彈性模量,可取標準養護條件下28d的彈性模量,按《大體積混凝土施工標準》表B.3.1取32.5GPa;φ為系數,取0.09;β為摻合料修正系數,根據規范和該項目混凝土參數配比取1.0。

3.2 計算模型

采用MIDAS進行建模計算,上部分為新澆筑的混凝土承臺,下部分為封底混凝土,承臺和封底混凝土的單元類型均采用三維塊體單元。在對承臺混凝土的水化熱有限元仿真計算時,主要考慮了水泥的絕熱溫升、混凝土的強度和彈性模量的增長曲線、冷卻水管的直徑和壁厚參數。有限元模型邊界條件的模擬時,充分考慮了混凝土承臺上表面和側面的對流邊界條件、新澆混凝土與封底混凝土固結接觸的邊界條件。

當前橋址位置處大氣平均溫度為20℃,計算取混凝土入模溫度、冷水管冷水流入溫度為20℃,冷水管流量按4m3/h取,承臺四周設置鋼模板、承臺頂面設置棉麻對流邊界。由于左右兩個承臺澆筑間隔20d,相互之間影響很小,故可僅取一半進行分析,網格劃分見圖3所示,劃分的模型一共由7131個節點、5768個實體單元組成。

圖3 主墩承臺水化熱模型Fig.3 Hydration heat model of main pier cap

3.3 溫度場計算結果

仿真計算結果表明:混凝土在澆筑5d后,內部混凝土溫度達到最高,約為46℃。此時承臺表、里溫度分布如圖4(a)、(b)所示。

(a)表層溫度等值線(a)Surface temperature contour

由圖4可見,承臺澆筑過程中約在第5d達到溫度峰值,約為46℃,內外溫差最大值約為24.8℃。承臺混凝土內部溫度高,外周溫度低;靠近冷水管的位置溫度低,遠離冷水管位置溫度升高,冷水管的布設對于降溫具有顯著作用;靠近外周邊緣部分混凝土溫度梯度最大。

3.4 應力場主要特征

承臺混凝土抗拉強度隨時間發展規律與所定義的材料強度發展函數有關。MIDAS在材料強度發展函數中定義的強度為抗壓強度,而承臺混凝土硬化過程中也會出現拉應力的區域,且在混凝土硬化過程中,承臺內部的拉應力都在隨時變化。為了判斷承臺混凝土能否開裂,有限元軟件通過計算拉應力比來衡量,拉應力參數定義為:

拉應力比=容許抗拉強度/拉應力

MIDAS有限元軟件軟件通過定義的混凝土彈性模量的變化曲線,并根據ACI的標準將彈性模量反算,推求出混凝土的容許抗拉強度值。

混凝土開裂與否就是通過拉應力比進行判斷的,若通過軟件計算出的實際拉應力小于容許拉應力(即拉應力比>1),混凝土不會開裂,否則會開裂。此外,當混凝土承受壓應力時,混凝土不會開裂,程序中對于受壓區混凝土拉應力比最大值默認取值為20。

計算結果表明:混凝土澆筑5d后,主拉應力達到峰值2.3MPa,主要集中在表層邊角處。承臺的最大主拉應力和拉應力比分布云圖,如圖5(a)、(b)所示。承臺內部混凝土的應力快速下降,內部主拉應力剖面圖、拉應力比云圖,如圖5(c)、(d)所示。

(a)最大主拉應力等值線云圖(a)Nephogram of maximum principal tensile stress

由圖5可知:1)混凝土表層棱角位置存在一定拉應力,最大值為2.35MPa,在混凝土內部拉應力迅速減小。2)主墩承臺在澆筑過程中拉應力比始終大于1,根據(圖5a),施工中最小拉應力比為1.0033>1,這表明混凝土澆筑后的拉應力始終小于拉應力容許值。3)拉應力較小值存在表層棱角處個別點位,考慮到實際承臺內部鋼筋的約束作用,可以判斷混凝土在澆筑過程中不會開裂。

結合上述溫度場和應力場的計算結果,主墩承臺雖然不會開裂,但內外最大溫差為24.8℃,接近安全限值25℃,最小的拉應力比也接近1(最小值為1.0033)。其主要原因是主墩承臺形狀為多邊形,在四個邊的附近水管布設密度小,存在三角形的無水管區,如圖6示。導致此區域存在混凝土溫度升溫較高現象,但是溫度計算仍然滿足要求。

圖6 無水管區示意圖Fig.6 Diagram of the waterless pipe area

4 水化熱監測

水化熱的監測可以采取測量應力、溫度進行控制。參考水化熱的計算結果,在承臺施工過程中采用了新型的大體積混凝土測溫系統。傳感器的布置應遵循以下原則:計算結果中高溫區域和低溫區域埋設了更多的微型無線溫度傳感器。其他溫度適中區域適量少布傳感器。溫度傳感器布置主要在混凝土承臺上、下表面、第二、三層冷水管位置和承臺底部位置。

此外,由于采用了無線溫度采集器,可以實現以下功能:1)連續測溫:按照設定采樣頻率自動測量并記錄溫度。2)自動報警:可對混凝土內部溫度和內外溫差設置閾值,超過閾值自動報警。3)曲線報表:提供單點/多點日溫度測量曲線。4)無線傳輸:支持GPRS/CDMA遠端通訊,可以在任意距離的辦公室內查看數據。

由于現場布置的測點很多,數據量很大,此處只給出了澆筑完成5d(120h)內,最低溫度測點和最高溫度測點的溫度變化時程曲線,如圖7所示。

圖7 監測最高和最低溫度時程曲線Fig.7 Monitor maximum and minimum temperature time history curves

從圖7可以看出,施工中實測的承臺內部最高溫度為44.7℃,最低值為21.1℃,最大溫差為23.6℃,與模擬計算的最大溫差24.8℃高度吻合。這表明承臺水化熱的仿真計算時邊界條件、計算參數的選取合理、計算結果能夠反應水化熱的真實分布規律,且實測最大差值也小于限值25℃,這表明承臺的大體積混凝土施工過程中不會開裂。此外,測得的溫度梯度變化規律也與仿真分析結果一致。

5 結論

結合蔡家莊特大橋項目,通過軟件初步計算分析,得到了如下結論:1)根據承臺形狀,冷卻水管的布置方案設計科學合理。2)綜合考慮了封底混凝土的固結、混凝土表面對流等邊界條件,并結合承臺的形狀,水管參數、水泥和混凝土的材料特性等因素,建立了合理的承臺的水化熱仿真模型。3)有限元仿真分析計算表明:混凝土硬化過程中不會出現拉裂的風險,保證了承臺施工過程的安全。4)承臺的淺層混凝土與大氣溫差過大是混凝土表面產生淺層裂縫的重要原因,因此應特別重視混凝土的保溫工作。5)基于仿真分析的計算結果,在承臺內科學設置了溫度傳感器進行溫度監測,且采用了無線自動測溫系統,實測的最大溫差與仿真計算結果高度吻合,且溫度場的分布規律也與分析結果吻合,從而驗證了仿真分析的準確性和可靠性。