锚块大体积混凝土分层分块水化热控制研究

唐江龙,罗淋耀

(广西北投公路建设投资集团有限公司,广西 南宁 530029)

0 引言

大体积混凝土温度裂缝分为三种,分别是表面裂缝、内部裂缝、贯穿裂缝[1],内部和贯穿裂缝会严重影响大体积混凝土的使用避免大体积,在大体积混凝土实际施工过程中,应严格执行对混凝土进行养护措施,避免混凝土发生影响结构安全裂缝。目前有关大体积混凝土的温度裂缝控制以及大体积混凝土温度场应力场分析的研究成果丰富,本文以巫山桂花大桥重力式锚块结构为研究对象,分析锚块大体积混凝土分层分块温度场应力,总结不同厚度混凝土结构温度场的变化规律,以及分析浇筑厚度与最大温升的关系,并针对性地提出相应的温度控制措施,以期为同类型混凝土分层分块提供理论和现实依据。

1 工程概况

桂花大桥主线长1 540 m,其中,桂花大桥主跨550 m,双塔悬索桥型。桂花大桥两岸锚碇为重力式锚碇,每幅锚碇的结构平面尺寸为42 m×38 m,高度为33 m。白泉岸锚碇与七星岸锚碇混凝土浇筑方量分别约为 21 217 m3和22 924 m3,属于大体积混凝土。桥型立面示意图见图1,锚块分层图见图2。

图2 锚块分层图

2 锚块大体积混凝土参数取值

锚块大体积混凝土物理热学性能相关参数见表1。

锚块混凝土上表面为热传导的第三类边界条件,其等效散热系数取50.23 kJ/m2·h·℃ ,锚块内部空间表面放热系数取21 kJ/m2·h·℃,水冷管对流系数为1 442 kJ/m2·h·℃,环境温度按式F(t)=5×sin(2×π/24×(t+24))+20计算,混凝土材料计算参数见表1。

3 锚块分层分块水化热研究

Midas FEA 有限元分析模型选取巫山桂花大桥锚块,选取从浇筑第一层到第5层高7 m左右浇筑块,并将该浇筑块划分为1～7 m的7块混凝土板进行计算分析,浇筑块模型如下页图3所示。

3.1 不同厚度混凝土结构的水化热温度分析

为了研究厚度不同的混凝土水化热温升变化规律,选取各分块层中心测点的温度值进行分析。从图4和图5可以看出,1～7 m厚的混凝土对应的最高温度分别为34.87 ℃、47.67 ℃、55.87 ℃、61.67 ℃、65.65 ℃、67.80 ℃、68.72 ℃,表明混凝土厚度越大,混凝土最高温度也越高,里表温差也越大。当厚度>4 m时,再增加浇筑混凝土厚度,其内部的温升和最高温度变化幅度越小,且在现场施工和养护过程中混凝土的水化热也很难控制。因此在大体积混凝土施工过程中,应合理地选择混凝土分层厚度,以降低混凝土水化热影响。

(a)厚度为1 m

(b)厚度为2 m

(c)厚度为3 m

(d)厚度为4 m

(e)厚度为5 m

(f)厚度为6 m

(g)厚度为7 m

(a)厚度为1 m

(b)厚度为2 m

(c)厚度为3 m

(d)厚度为4 m

(e)厚度为5 m

(g)厚度为7 m

各厚度结构中心点温度曲线图见图6,各厚度结构混凝土的最大温度值与发生时间见表2,厚度变化的温度变化规律见表3。

图6 各厚度混凝土中心点温度曲线图

表2 各厚度结构的最大温度值与发生时间对应表

表3 随厚度变化的温度变化规律表

从图6、表2、表3看出,1～7 m不同厚度的混凝土中心层温度变化曲线层次分明,1～7 m厚度混凝土内部高温出现的时间分别为12 h、20 h、28 h、32 h、40 h、44 h,表明随着厚度增大,温度峰值出现的时刻也会推迟,且内部高温的持续时间变长,厚度越大的混凝土升温越快,而降温却越来越慢,内部温度变化幅度也趋于平稳。说明混凝土分层浇筑对大体积混凝土最高温度的控制有良好的效果,施工过程中选用薄层混凝土[2],施工中温度更好控制。

综上所述,混凝土分层浇筑对大体积混凝土最高温度的控制有良好的效果,验证了施工中采取合理的分层厚度能有效控制大体积混凝土水化热,大体积混凝土施工过程中需结合实际情况选用合适厚度的混凝土,以便在施工和养护过程中能更好地控制混凝土水化热,避免混凝土因里表温差过大造成开裂。因此厚度大、水泥含量高的混凝土,除了采取冷水水管养护,还需对浇方量大的混凝土进行分层分块,削减混凝土绝热升温,降低里表温差。

3.2 浇筑厚度与最大温升的关系

从图7和图8可以看出,混凝土通冷却水比不通冷却水,其温度峰值明显降低,说明冷却水能够有效削减混凝土温度峰值和控制水化热发展。且混凝土在不通冷水与通冷却水情况下,温度沿着厚度变化也会存在差异,如不通冷却水一次浇筑厚度为6～7 m时,才会接近临界点温峰值,这时温度为68.72 ℃;而通冷水情况下,一次浇筑厚度达到 4～5 m时,接近温峰值52.68 ℃,相比不通冷却水,混凝土温度峰值下降了16.04 ℃左右,且达到相同温度峰值,通冷却水比不通冷却水的浇筑厚度下降2 m左右。

图7 无冷却水情况下各层温升曲线图

图8 通冷却水情况下各层温升曲线图

4 结语

本文在国内外研究基础上,以巫山桂花大桥重力式锚块结构为研究对象,仿真分析锚块大体积混凝土分层分块温度场应力场,总结不同厚度混凝土结构温度场的变化规律,以及分析浇筑厚度与最大温升的关系,为了避免大体积混凝土水化热不容易控制,提出了对于厚度大、水泥含量高的混凝土,除了采取冷水水管养护,还需对浇方量大的混凝土进行分层分块,以达到削减混凝土绝热升温、降低里表温差目的。