某斜拉桥承台大体积混凝土水化热分析

2018-06-11梁慧栋

城市道桥与防洪 2018年5期

梁慧栋

（海东城市建设开发投资有限公司，青海海东 810600）

0　引言

随着桥梁跨度的不断增大，大体积混凝土结构在桥梁工程中的应用也越来越普遍。水泥发生水化反应时释放大量热量，由于承台结构混凝土体表比一般很小，且混凝土导热性能很差，使得承台内部混凝土热量不易释放[1]。热量在承台内部聚集使得混凝土内部温度急剧升高，在承台的内外部形成很大的温差，当温差产生的温度应力超过混凝土的极限抗拉强度时，将导致混凝土产生温度裂缝。裂缝的出现不仅会影响结构的外观质量，由于裂缝使得结构内部暴露在空气中，也会影响结构的抗腐蚀能力和耐久性能；更严重的情况是导致结构承载能力减低，影响到结构安全性能[2]。许多大体积混凝土结构尺寸很大，考虑施工便利性和经济性，应避免设置过多进出水口。此时，单层冷却水管长度往往很长，为了保证冷却管的降温效果，一般采用较低的冷却水温度和相邻冷却水管的进出水口位置和方向交替布置。施工承台结构时，一般选用附近河水作为冷却水源，而在寒冷季节河水温度往往很低。因此，研究低温冷却水对控制冷却管过长时降温效果不明显的方法和措施是非常有必要的。

1　工程概况

某市政桥梁主桥为独塔双索面组合梁斜拉桥，跨径布置为158 m+45 m+40 m，桥面宽44 m。其中辅跨45 m+40 m，为预应力混凝土结构，主跨长158 m，为钢箱梁，梁高均为3 m。

索塔主墩为群桩承台基础，下塔柱为钢筋混凝土，上塔柱下部为钢筋混凝土，上部为钢制塔柱。桩基Φ150 cm，桩长L为50 m，呈7排7列布置共49根。承台高5m，平面尺寸为27 m×27 m，混凝土采用C40抗硫防腐混凝土，共3 645 m3，属于大体积混凝土[3]。

2　有限元分析

2.1　有限元模型

按照实际冷却水管的布置、管径、水流大小、承台施工和养护情况等因素，运用三维有限元软件MIDAS/Civil建立主塔桩基承台有限元分析模型。模型共计节点64 050个，实体单元57 832个，有限元模型见图1。若将地基的支承条件使用弹簧模拟，则无法描述混凝土的热量传递给地基的情况。因而将地基模拟为具有一定比热和热传导率的结构[4]。地基尺寸取为36 m×36 m×7 m，距承台底1 m处开始每隔1 m布置一层冷却管，共4层，相邻层间呈十字交错布置，每层冷却管横向间距1 m，单层管长688 m，每层冷却管的进水口分别位于承台4个角点处。冷却管布置见图2。

2.2　计算参数

工程实际的承台混凝土配合比见表1。根据有关资料[5]，在没有进行热性能试验时，根据混凝土各组成成分的重量百分比估算混凝土的导热系数λ=8.761 627 3 KJ/（m.h·℃）、比热c=0.917 883 6 KJ/（kg·℃)和导温系数a=3.742×10-3m2·h。水化热计算采用复合指数式的方法，估算混凝土最大绝热温升为59.32℃。根据施工方案，承台混凝土侧面采用6 mm钢模板，顶面混凝土保温材料为30 mm厚棉布和两层0.2 mm厚塑料。保温材料导热系数见表2。模型环境温度取为固定值8℃，地基边界为固定温度条件，温度值取15℃。冷却水管为Φ57×3 mm钢管，内径51 mm，水流速度为0.4 m/s，流入温度7℃，冷却水管通水时间250 h。

图1　承台有限元模型

图2　承台冷却管布置示意图(单位：m)

表1　承台混凝土实际材料用量及理论配合比　kg/m3

表2　保温材料导热系数

2.3　理论计算结果

通过有限元分析，承台在开始浇注70 h后B-2测点温度达到最高，为53.6℃，该测点位于承台1/4结构的中心位置。计算得出的承台各特征点温度时程见图3，各特征点的位置与现场温度传感器的布置位置一致。第一层在距承台底高0.5 m，位置为承台中心点（C-3）、对角线距外角点位置1.0 m（A-3）和承台中心点和该角连线1/2位置（B-3）各安装1个测温元件；第二层在距承台底2.5 m，第三层在距承台底4.5 m位置处，其平面位置与第一层相同。

图3　承台测点理论温度时程图（单位：℃）

由计算结果可得，承台各特征点水化热温度变化趋势一致，且水化热初期温度上升速率较大，在70 h左右温度达到峰值，随后温度开始下降。从图3可以看出，在冷却水管停止通水后，温度下降开始变缓，其中B-2和C-2测点出温度出现轻微回升。

在结构模型中以承台中心为原点，截取距承台底端1.5～2.5 m之间8 m×8 m的结构，其温度分布云图见图4。

图4　承台中心部位温度分布云图

从图3和图4可以看出，该承台的最高温度并没有出现在承台中心，而是位于1/4结构中心位置附近。由于冷却管中进水温度较低，通过承台中心时与混凝土之间温差很大，二者之间热量交换较多，对承台中心部位降温效果明显。由于冷却管较长，经过较长路径的热循环后水温逐渐上升，对冷却管出水部位附近的混凝土降温效果不明显，导致温度较高部位偏离承台中心。

3　现场实测

3.1　温度传感器布置

考虑结构的对称性，只在1/4结构上布置传感器。承台内共安装3层9个测温元件。进出水温度用测温计直接放入水中进行测量，将测温计放入混凝土表面和覆盖层之间测量混凝土表面温度，测量大气温度时将温度计放入承台附近位置，要避免其受承台混凝土温度影响。在安装测温感应片时注意避让冷却管，安装在两个冷却管中间位置。温度传感器布置示意见图5。

3.2　温度监测结果分析

承台混凝土从早晨八点开始，到第二天下午五点结束，历时41 h，混凝土浇筑时每覆盖一层冷却管，该层冷却管即开始通水降温。由于初期混凝土水化热温度变化剧烈，测试时间间隔为2 h，后期水化热温度变化缓慢，测试时间调整为4 h。将各测点的温度数据绘制成时程曲线，见图6。从图6中可以看出，混凝土浇筑阶段和养护初期，温度上升很快，在混凝土开始浇筑后74 h B-2测点温度达到峰值，为58.2℃。该测点位于承台1/4结构中心处，与理论计算结果一致。实测混凝土内外温差均小于20℃，避免了温度裂缝的出现。