桥梁承台大体积混凝土施工水化热分析 及温控研究

黄春晖,王劭琨,侯艳芳

(陕西工业职业技术学院,陕西 咸阳 712000)

随着我国桥梁工程的高速发展,越来越多的大跨径桥梁建成使用,与之相应的承台、桥墩、零号块等大体积混凝土构件也更多的出现在桥梁工程建设中,为此,大体积混凝土浇筑过程中的水化热分析与控制成为相关学者及工程技术人员关注的热点。目前关于桥梁大体积混凝土温控方面的研究主要有:承台大体积混凝土水化热控制中冷却水的冷却效果[1-4];混凝土浇筑过程中浇筑温度对水化热的影响[5-7];大体积混凝土承台内外温度控制、养护期间温差控制及后续拆模时间等[8-11]。但这些研究成果大多以纯数值模拟分析或监控结果分析为主,缺少对大体积混凝土具体温控方法及实际监控过程的研究。本研究通过某多跨连续梁桥大体积混凝土承台实际工程的应用分析,对大体积混凝土的温控方法进行阐述,以期为后续类似桥梁工程的大体积混凝土承台施工提供借鉴。

1 工程概况

某多跨连续梁桥位于贵阳市,连接市区与曹坝冲隧道。桥梁上跨铁路南关上行线及西南上行线;左幅桥起点桩号K2+193.41,终点桩号K2+675.67,全长482.26 m;右幅桥起点号YK2+181.36,终点桩号YK2+670.96,全长489.60 m。左、右幅主桥均采用72 m+120 m+72 m变截面预应力混凝土连续梁桥。

该大桥主桥左、右幅共4个大体积承台,即Z8号、Z9号、Y7号、Y8号主墩对应的承台,每个承台的尺寸均为:长×宽×高=1 220 cm × 1 220 cm ×450 cm(见图1),每个承台的混凝土体积都高达670 m3,需要进行水化热温度监控。根据施工单位提供的《某大桥承台大体积混凝土施工方案》,所有承台均采用1次浇筑成型。本次大体积混凝土的水化热监控对象根据施工先后顺序,选取最早进行施工的左幅Z9号主墩的承台作为该桥梁的主要水化热监控对象,其余3个承台的温度监控可以根据左幅Z9号主墩承台浇筑情况及温控的效果确定。

图1 某多跨连续梁左幅主桥结构示意图(单位:m)Fig.1 Diagram of left main bridge structure of a multi-span continuous beam (unit:m)

2 承台大体积混凝土温控设计

2.1 测点布置

开工前用Midas Civil有限元分析软件进行承台水化热变化仿真模拟分析,考虑承台是个规则长方体,可以利用其对称性选择承台体积的四分之一部分进行温度变化的测定工作。根据承台体积,将50个测温元件分5层布置在承台中(见图2),每层均布10个测点,分别布置在所测平面的轴线及对角线上(见图3)。

图2 温度测量元件在承台中分层布置示意图(单位:cm)Fig.2 Schematic diagram of temperature measuring element layering in the platform (unit:cm)

大体积混凝土表面温度采用与每层的外边缘最接近的3个测点温度作为外表面温度。

2.2 测量元件和仪器

混凝土内部温度变化采用的测量元件是一线式温度传感器SZW-18型,其测温范围为-40～125 ℃,温度精度为±0.5 ℃,分辨率为0.25 ℃。

与上述元件对应的是SZZX-ZHX型智能读数仪,它是一种便携式、多功能读数仪。该读数仪量程为-40～125 ℃,温度精度为±0.5 ℃,分辨率为0.25 ℃。

2.3 承台冷却水管布置情况

承台中预先布设的冷却水管布置形式见图4～图6。采用公称直径5 cm的钢管作为冷却水管,3层水管的进、出水口均设置在承台的上表面,每一层冷却水管均设置独立的进水口和出水口。在温度监控期间通水,应保证水管中的水流量不低于30 L/min。

图3 温度测量元件在每层中安装位置示意图(单位:cm)Fig.3 Schematic diagram of installation position of temperature measuring element in each layer (unit:cm)

图4 第一、三层冷却水管布置平面图(单位:cm)Fig.4 Layout of cooling water pipes at the first and third floors (unit:cm)

图5 第二层冷却水管布置平面图(单位:cm)Fig.5 Layout of cooling water pipes at the second floor (unit:cm)

2.4 承台混凝土施工过程

在混凝土浇筑前,预先埋设了温度测试元件,施工单位先通水试管,保证冷却水管严密不漏水。混凝土水平分层浇筑,一次浇筑完成。混凝土浇筑时间:7月2日22时—7月3日18时,历时20 h。浇筑期间最高气温为28 ℃,采用商品混凝土泵送,浇筑工作顺利完成。

图6 冷却水管布置立面图(单位:cm)Fig.6 Elevation layout drawing of cooling pipe (unit:cm)

开始放水循环的时间节点,选在浇筑的混凝土把第一层冷却水管完全掩埋时。在整个承台混凝土的浇筑过程中,未出现因振捣设备振动或泵送混凝土冲击使冷却管破坏而出现漏水的现象。

承台浇筑完成后,监控组即开始了7月3日—16日连续14 d的测温工作。

3 结果与分析

3.1 同一平面位置在不同层中测点温度分布

为研究承台内同一水平位置不同层的测点在同一时间点的温度分布特点,选取承台横桥向靠近中心测点的某次测温结果绘制出图7。

图7 Z9号墩承台横向靠近中心测点的温度变化(7月8日11时所测温度值)Fig.7 The temperature change of Z9 pier cap near the central measuring point(the temperature was measured at 11 o 'clock on July 8)

由图7可知:在同一时间点的测量中,同一水平位置不同层的测点所测温度表现出中间位置高,接近上、下表面位置处低的特点,这与先前采用Midas Civil有限元软件数值模拟分析的结果基本一致;在同一水平位置不同层的测点,温度最高点出现在靠近下部的位置,这与承台下表面主要通过热传导方式向周围散热,而上表面主要通过热辐射方式向周围散热,并且会受到空气流动速度等因素影响加速降温有关。

3.2 承台顺桥向温度分布

为研究承台内温度顺桥向的分布规律,选取承台从下往上第二层测点的某次测温结果绘制出图8。

图8 Z9号墩承台第二测温层测点顺桥向温度变化(7月11日9时所测温度值)Fig.8 The temperature change of the second temperature layer of Z9 pier cap along the bridge (the temperature was measured at 9 o 'clock on July 11)

由图8可知,在同一测温层,温度表现出从承台中心沿顺桥向往外逐渐降低,并且在靠近侧面的2.0 m左右范围内急剧降低,为了防止内外温差过大引起开裂,要做好表层覆盖等养护措施。

3.3 承台对角线温度分布

为研究温度沿承台对角线的分布规律,选取承台从下往上第四层测点的某次测温结果绘制出图9。

图9 Z9号墩承台第四层对角线上测点的温度变化(7月13日16时所测温度值)Fig.9 The temperature change of measuring point on the diagonal of the fourth floor of Z9 pier (the temperature was measured at 16 o'clock on July 13)

由图9可知,在同一测温层,温度表现出从承台中心沿对角线向外逐渐降低,并且在接近承台角的2.8 m左右范围内温度急剧降低,其分布规律与顺桥向相似。

3.4 承台最高温度分布

从承台每层顺桥向及对角线温度分布图可以看出,最高温度均出现在这一层的承台平面中心位置,选取5个测温层每层的中心点D点的同一时刻温度值绘制出图10。

图10 Z9号墩承台中心竖向位置沿高度的温度变化(7月6日10时所测温度值)Fig.10 The temperature change at vertical position of the center of Z9 pier cap varies with the height (the temperature was measured at 10 o'clock on July 6)

由图10可知,D-3测点是所监控承台的中心点处温度最高,达67.5 ℃,该温度已相对偏高,因此建议在后续几个承台的施工中采取措施加密水平向或垂直向冷却水管,以达到限制最高温度的目的。

此外,承台中心位置温度在同一水平位置不同层的分布同样表现出中间位置高、接近上下表面位置处低的特点,这与所选取距外壁2.1 m、距中心4 m处B点的温度竖向变化一致。

3.5 承台温度随时间变化

为研究承台浇筑后内部温度随时间的变化规律,将所有测点每天的温度取平均值,绘制出所有测点日平均温度随时间变化的曲线图(见图11)。

图11 Z9号桥墩承台混凝土浇筑完成后日平均温度随 时间变化关系Fig.11 The average daily temperature changes with time after concrete pouring of Z9 pier cap

由图11可知,承台日平均温度峰值出现在混凝土浇筑完成后第4天,其峰值达59.4 ℃;承台浇筑完成后前4天温度上升很快,说明混凝土水化热在浇筑后前4天释放量很大,内外温差过大导致的开裂也常出现在这几天,从第5天开始温度出现下降并逐渐趋于缓和,因此可见,保证正常冷却水循环基本能保证承台不开裂;由于承台养护全过程中做温度监控,虽然中间出现过几次短时间的内外温差超过20 ℃(未超过上限25 ℃),加之现场及时采取了增加循环水流量的措施(降低内外温差),因此,未出现承台开裂等不良状况。

4 结论

(1) 承台浇筑后在同一水平面上的水化热分布无论是沿顺桥向还是承台对角线方向都表现出同一测温层靠近平面中心温度高,向外温度逐渐降低并且在靠近外表面位置温度急剧降低,这与有限元软件模拟结果一致,说明可以通过数值模拟来指导施工,因此要做好表层覆盖等养护措施,防止开裂。

(2) 承台浇筑后在不同层同一水平位置水化热分布的测点,不论是中心位置还是靠近表面位置,不同层同一水平位置测点在同一时间点的竖向温度都表现出中间位置高、接近上下表面位置处低的特点,并且温度最高点靠近下部,这主要是上下表面散热方式不同导致的,为此在后续工程中可以考虑加密下部冷却水管,加速降温。

(3) 通过承台浇筑后的水化热随时间变化关系可以看出,大量水化热在承台浇筑完成后的前4天释放出,因此在浇筑完成后的前几天要特别注意控制内外温差在20 ℃以内,防止出现温度应力过大导致承台开裂;第4天之后温度出现下降并逐渐趋于缓和,只要保证冷却水的正常循环就不会出现开裂的状况。本项目在前几天的温控中短时间出现过内外温差超过20 ℃,但未超过25 ℃的上限,现场及时采取了增加循环水流量的措施,因此建议后续工程减小冷却水管间距,以便更好地降低内外温差。