大体积高强度混凝土空心墩柱温控研究

张思天 何雄君 何振建

(武汉理工大学交通与物流工程学院 武汉 430070)

在大体积混凝土施工过程中,由于水泥水化热的作用,混凝土会释放出大量的热量,不仅容易产生混凝土结构的温度变形,且如果温度不能得到有效控制,还容易产生温度裂缝,从而影响结构的耐久性和完整性[1-2]。因此,研究大体积混凝土结构的温度场分布规律,根据施工现场实测温度情况采取合适的温控措施,对保证大体积混凝土的施工质量具有重要意义。

我国目前对于控制大体积混凝土结构温度裂缝方面的研究较为广泛。文献[3]等使用midas/FEA有限元软件,结合当地数据研究并评价了大体积基础的温控措施。文献[4]等通过有限元软件midas Civil对比了自然冷却状态下与通水冷却情况下大桥锚固大体积混凝土的温度场和应力场,并结合模拟数据对现场施工提出了指导意见。文献[5]同样采用水管温控方案控制桥梁墩柱承台大体积混凝土施工温度,并从混凝土配合比、搅拌方案,及养护方案等多方面进行控制,从而提高结构的抗裂性能。虽然对大体积混凝土温控方法的研究已经较为全面[6-7],但在实际工程中仍会遇到许多问题。近年来悬索桥、斜拉索桥的索塔承台、墩柱逐渐趋向于大型化和复杂化,且与水工坝、承台、锚固基础等结构相比,墩柱采用的混凝土等级较高,并常为不规则的空心构造,因此其温控方案依旧待探讨和研究。

文中以安徽马鞍山市马鞍山公铁两用长江大桥主塔下塔柱第一施工节段为研究对象,运用有限元软件midas Civil建立塔柱1/2水化热三维模型,对塔柱水化放热过程和温控方案进行分析设计,并结合现场监控数据对本次工程中选用的冷管系统和温控措施进行评价和分析,为以后类似工程问题提供参考意见。

1 工程概况

马鞍山公铁两用长江大桥在常合高速马鞍山长江公路大桥上游约2.3 km处姑孰桥位跨越长江,采用三塔钢桁梁斜拉桥桥型,跨江段总长9.799 km,主跨1 120 m。主塔采用钢-混结构,下塔柱采用C60混凝土,单箱单室五边形截面,纵、横向壁厚为1.8 m,塔柱内侧设置0.5 m×0.5 m的倒角,沿高度分5层施工。

下塔柱大体积混凝土施工温控与常规承台等形状规整的普通混凝土大体积混凝土结构施工温控相比,具有构形复杂,大体积混凝土水化热等规律研究较少等特点。温控的主要内容如下:①对高标号、复杂构形大体积混凝土施工过程温度场和温度应力进行计算分析;②确定温控指标与温控措施;③对大体积混凝土温度场进行实时检测;④对于温控检测结果进行分析和总结。

2 墩柱温度监控

2.1 温控设备

为了准确监控混凝土温度,本次施工采用多点无线温度自动测试系统。该系统是一种功能强大的分布式、全自动、多点温度静态数据无线采集系统。由控制单元、采集单元,以及系统软件组成,系统可配接各种温度传感器。系统采用分布式结构,每个采集单元的任意通道可接入各种温度传感器,且能任意组成8～2 000测点的自动化测量系统。该系统无线传输方案见图1,可长期、自动地对墩柱进行远程无线监控。

图1 测温仪器无线传输方案

2.2 温度测点布置

根据结构对称性的特点,选取1/2结构作为主要的测试区域。根据温度场分布规律与有限元软件模拟,以及冷却水管的位置、进出水口的位置,选择在温度波动较大的中心处、边缘易受外界温度影响和流失热量处,以及倒角处设置共计4层测点,温控测点布置图见图2。

图2 温控测点布置图(单位:cm)

2.3 测温方案

温度监测主要内容包括环境体系温度测量与混凝土温度场测量。环境温度包括大气温度、冷却水进水、出水温度等。现场监测要求:

1) 浇筑块温度测量:升温阶段每2 h监测1次,混凝土中心测点温度不再上升后每4 h监测1次,持续5 d,然后转入每天测2次,直到温度变化基本稳定。

2) 大气温度测量:与浇注块温度场测量同步进行。

3 温度场计算及温控方案设计

3.1 混凝土浇注温度

混凝土入模温度的控制是工程上用于降低温度应力从而减少温差裂缝的重要手段, 在大体积混凝土工程中更是必不可少的防裂措施。入模温度控制要求限制温度最高值和最低值,夏季炎热天气下需要采取措施降温,冬季施工要求保温,提高混凝土温度以确保水化反应的顺利进行。综合马鞍山市当地春季气温,取混凝土浇筑温度为20 ℃。

3.2 材料参数

在midas Civil的计算分析中,结合配合比和有关设计规范,具体参数取值如下。

1) 墩柱C60混凝土的强度增长曲线按照CEB-FIP规范经验公式进行选取。

2) 主桥塔柱混凝土施工用C60高性能混凝土PHB2021-13。利用加权平均法求解比热容c及导热系数λ。

c=∑ciδi

(1)

λ=∑λiδi

(2)

式中:ci为各种材料比热容, kJ· (kg·℃)-1;δi为各种材料质量百分比。具体计算参数见表1。

表1 混凝土材料相关参数

3.3 冷却水管参数

冷却水管采用镀锌钢管,控制参数见表2。

表2 冷却水管热性能参数

冷却水管的导热方程参考文献[8]方法计算。

(3)

式中:θ为混凝土温度,℃;θ0为混凝土初始温度,℃;θw为冷却水流入温度,℃;t为时间,h;a为导温系数a=λ/cρ,m2/h;φ为水冷系数;K为混凝土绝热温升,℃;Φ为水冷温升函数;λ为导热系数,kJ/(m2·h·℃);c为比热容,kJ/(kg·℃);ρ为密度,kg/m3。

3.4 热源函数

本次计算使用midas Civil内置默认热源函数,计算公式为

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

(4)

式中:F(t)为热源函数;K为混凝土的绝热温升值,根据现场提供的检测报告,C60主桥塔柱混凝土的绝热温升值为43.95 ℃;a为常数,与水泥种类、比表面,以及浇筑温度有关。

3.5 边界条件

光滑表面在空气中的放热系数约为64 kJ/(m2·h·℃) ,水的导热系数为2.16 kJ/(m2·h·℃),取等效换热系数约为9.3 kJ/(m2·h·℃)。承台基础表面与已经浇筑的2 m段暴露于空气之中,取大气的自然热交换系数2.78 kJ/(m2·h·℃)。承台基础底端与地表连接部分取固定温度为20 ℃。

3.6 计算模型

根据墩柱平面尺寸和冷却水管布置的对称性,墩柱的水化热计算模型取墩柱平面的1/2进行分析。在对墩柱混凝土的水化热有限元仿真计算中,主要考虑了水泥绝热温升、混凝土的强度和弹性模量增长曲线、冷却水管等参数,以及墩柱上表面及侧面的对流边界。为简化计算,忽略了混凝土浇注过程中的散热、混凝土钢筋的影响,及外加剂减缓混凝土水化热的作用。

塔柱的有限元仿真计算模型图见图3。

图3 计算模型及冷却水管布置

节点数为37 242,划分单元数32 064。建模包含了施工段4 m混凝土、已经浇筑完成的1.5 m承台,以及2 m墩柱。冷却水管分4层设置共10条,设置共4组进、出水口。

3.7 温控方案

内部降温和表面保温措施见表3。在温控实施过程中,根据施工当时气候情况、 现场条件、 以及混凝土温度场监测实时结果,以下温控措施可能需要适当调整。

表3 内部降温和表面保温措施

4 结果分析

4.1 温度实测值与计算值对比

浇筑后混凝土的温度变化理论计算值与实测值的对比见图4。由图4可知,墩柱大体积混凝土温度理论计算值与实测值的变化规律均表现为在浇筑后快速上升,到达顶点维持较短时间后迅速下降,最后逐渐变缓直至达到环境温度。混凝土内部相对表面,与外界的热对流交换效应少,因此在受水化热影响下短时间内达到较高温度,在水化热效应衰退后热量散失相较表层更慢。

图4 墩柱混凝土温度时程图

实测值于54 h后达到最高温度55.1 ℃,有限元模拟值于60 h后达到最高温度49.22 ℃。实测与模拟温度最大值出现的时间点和位置较为接近,证明了有限元模拟结果的可参考性。内、外温差和外表面与环境温差时程图见图5,在监控过程中墩柱混凝土内部与表面温差始终小于20 ℃,混凝土表面与环境温差基本小于20 ℃,混凝土的最大温升与升温、降温速度均在可控范围内,证明在混凝土浇筑后采取的一系列温控措施有效。在有限元模拟值中,冷却水温度时刻维持设定值,而实际情况中冷管内部冷却水在循环过程中会逐渐升温,导致中心实测温度较模拟值偏高。实际施工时气温低于有限元模拟设定气温,导致外表面实测温度较模拟值偏低。

图5 内外温差和外表面与环境温差时程图

4.2 无冷却水管温度场分布规律

在已有的有限元模型参数中删去冷却水管布置,其他参数保持不变即可得到无冷却水管作用下空心墩柱温度场分布情况。无冷却水管作用下各断面的温度场分布图见图6,选取距离顶部2 m的水平断面。由图6可知,在浇筑初期墩柱内混凝土水化放热作用强烈,水泥水化作用产生的热量大于外界对流的散热量,且越靠近内部的混凝土与外界的对流散热效应越弱,此阶段高温区域逐渐变大。当混凝土温度达到最大值后,对流散热开始超过水泥水化作用产热,混凝土的温度开始由外向内逐渐降低,高温区域逐渐减小,并最终与环境温度保持一致。在约100 h时达到最高温60.50 ℃,此时混凝土高温区域已经开始减小,但墩柱中心仍保持较高的温度。

图6 温度场分布云图

墩柱混凝土垂直方向内部温度变化的时程图见图7。

图7 垂直方向内部温度变化时程图

由图7可知,所有测点的温度变化规律均表现为先迅速上升,到达最高点后再迅速下降,且降温速度逐渐变慢。在温度变化的垂直分布上,可以明显看出相对高温区域有由中心逐渐下移的趋势。在升温阶段,底部混凝土由于与导热率较高的固体相连,因此靠下的测点最终升温较低。在降温阶段,由于上部热量的传导,且墩柱本身截面为梯形,底部混凝土厚度较大产热较多,因此后期靠下的测点降温较慢,温度反而超过了靠上的测点。

与常规承台等形状规整的普通大体积混凝土结构相比,墩柱采用的混凝土级别较高,水泥水化作用放热更为剧烈,结构整体厚度较薄,温度分布不均匀且升温、降温的速率快,容易由于存在较大的温差而产生裂缝,因此需要适当的温控措施进行预防。

4.3 冷却水管作用分析

施工全程对进出口水温进行了检测。实测在整个施工阶段,出水口最高温度为38.7 ℃,小于40 ℃且与进水口温差不大于10 ℃。此水温能有效将混凝土中心热量带出从而降低混凝土内部温度,同时也能防止进出水口温差过大而产生收缩裂缝。对比有、无冷却水管的情况,混凝土内、外最大温差图见图8。

图8 有、无冷却水管作用内、外温差对比图

由图8可知,无冷却水管状态下混凝土内、外最大温差理论值为23.69 ℃。在实际工程中使用冷却水管降温后内、外最大温差实测最大值为19.4 ℃,处于规范值25 ℃以下,相对无冷却水管的理论值减少了4.29 ℃,证明了冷却水管系统的有效性。

4.4 温控效果评价

在整个施工过程中混凝土内、外最大温差为19.4 ℃,处于规范值25 ℃以下。单日最大降温值3.5 ℃,稍高于规范值2.0 ℃/d。墩柱最高升温55.1 ℃,处于规范60 ℃以下。墩柱表面与外部环境最大差值为25.3 ℃,绝大部分时间小于规范值20 ℃。施工完成后墩柱表面没有发现明显裂缝,证明所采取的温控措施发挥了一定的作用。

实际情况中由于施工当时气候情况、 现场条件等与理想情况存在差异,因此实际结构与理论计算结构存在一定差距。大体积混凝土因为水化热作用产生温度裂缝作为工程中的一大难点,在进行预防和控制时要综合考虑各项因素,采取符合实际情况的预防措施才能将温度控制指标控制在合理范围内。

5 结论

1) 墩柱中心最高温度实测值55.1 ℃,有限元模拟最高温度为49.22 ℃。实测值与模拟值最大值出现的时间点和位置较为接近。在监控过程中墩柱混凝土内部与表面温差始终小于20 ℃,混凝土表面与环境温差基本小于20 ℃,混凝土的最大温升与升温、降温速度均在控制范围内,证明了有限元模拟结果的可参考性及在混凝土浇筑后采取的一系列温控措施的有效性。

2) 在垂直分布上,墩柱混凝土内部温度有由中心逐渐下移的趋势。大体积高强度混凝土空心墩柱水泥水化放热作用剧烈,结构整体厚度薄,温度分布不均匀,升温和降温快,容易因存在较大温差而产生裂缝,因此有必要采取相应的温控措施进行预防。

3) 在实际工程中使用冷却水管降温后内、外最大温差实测最大值为19.4 ℃,处于规范值25 ℃以下,相对无冷却水管的理论值减少了4.29 ℃,证明了冷却水管系统的有效性。实测单日最大降温值3.5 ℃,稍高于规范值2.0 ℃,此部分控制仍需后续工作进行完善。