海洋环境下大体积海工混凝土海上施工水化热控制

2021-02-14申瑞娟王金梁王道隆

公路工程 2021年6期

李涛，申瑞娟，王金梁，王道隆，雷栋

(1.浙江海洋大学港航与交通运输工程学院，浙江舟山 316022； 2.中交路桥华南工程有限公司，广东中山528400； 3.中交路桥华东工程有限公司，上海 200120)

混凝土水化热是导致其开裂、服役性能降低的主要原因，海上大体积海工混凝土施工环境存在日照强、昼夜温差大，伴随台风等恶劣天气条件；跨海桥梁大体积海工混凝土施工需要海上拌和、连续浇筑，因此施工过程中控制其温度应力产生裂缝是保证海工混凝土施工质量的关键，故研究其温控措施有较大的意义。目前最常使用降低混凝土水化热的方法有2种，一是预冷方式[1]，白鹤滩水电站工程通过预冷方式达到混凝土温度控制的设计要求[2]，刘军辉[3]等通过在搅拌水中添加冰块的方式将入模平均温度控制在允许范围内；另一种是后冷却方式，是大体积混凝土施工水化热控制最有效的措施[4-5]，早期俄勒冈州Owyhee大坝和胡佛水坝使用后冷却方式效果显著[6]；TASRI[7]针对不同材质的水管做了后冷却方式，降低水化热温度70%和36%，水管间距对混凝土温度场的影响相比于通水温度的影响更大，也可减小管冷带来的温度应力[8]，YANG[9]建立了双层交错非均相冷却水管道大体积混凝土热分析的三维有限元程序，并在实际案例中验证了程序的可靠性，KIM[10]提出了一种基于内部流理论的冷却管的线元建模以计算温度变化，并将结果与实验进行比较，预测结果与现场测量数据显示出良好的一致性，LIU[11]所提出的热-流耦合模型考虑了实际工程的气候条件、管冷方案和材料热力性质等因素，其模拟结果与实测大体积混凝土温度场高度吻合，朱伯芳[12-13]将冷却水管看成负热源，在一定程度上考虑水管冷却的效果，并提出混凝土坝水管冷却小温差、早冷却、慢冷却的新思路，王新刚[14]等认为水管布置形式、冷却水温度、水管管径、管距和冷却水流量是水冷的关键影响因素。前人的研究已经在混凝土温度场管冷方面做了大量贡献，但缺乏大体积海工混凝土海上施工水化热产生温度应力的相关研究。本文研究以舟岱跨海大桥承台大体积海工混凝土的海上施工为背景，通过分析施工海域光照、风速等代表性环境参数，综合设定了海上环境下的施工温度和温度场计算参数，拟定了19种工况模拟管冷施工方案，优化后选取管冷措施方案成功地指导了主塔承台大体积海工混凝土的施工，取得了较好的效果。

1 项目背景

宁波舟山港主通道跨海桥梁主桥为三塔整幅钢箱梁斜拉桥(如图1所示)；主墩承台采用整体式六边形承台，外轮廓尺寸为51 m×32 m(横向×纵向)，大体积海工混凝土直接浇筑至承台钢套箱中。

图1 舟岱大桥主桥布置图

图2 承台立面构造示意图

图3 温度传感器布置(单位：cm)

本文选取具有代表性的主塔承台为研究对象，如图2所示，外轮廓尺寸为51 m×32 m，厚度为6.5 m；分2层浇筑施工，第一次浇筑厚度2 m，方量2726.6m3，第二次浇筑厚度4.5m，方量6134.85m3。本文研究选取承台的1/4结构埋置温度传感器(见图3)进行数据采集。

2 海上施工环境分析

2.1 海上施工环境温度分析

施工项目位于浙江舟山海域，海上施工环境影响因素主要有：

a.日照。本文分析研究该海域60多年气象资料，发现9月该海域晴天多、日照强，造成白昼温差大，分析得到月极端最高气温达到38 ℃，极端最低气温为19.6 ℃，历年9月最大昼夜温差达18℃，如此极端温差对大体积海工混凝土施工带来严峻考验。

b.风速。本文分析研究该海域60多年气象资料，发现9月该海域内月平均风速都在4 m/s以上，海平面10m高处的基本风速为42.3 m/s，9月最大风速达到16.7 m/s，平均风速为8.4 m/s，由此给大体积海工混凝土施工表面热交换速度带来不利影响。

论文对该施工海域60多年气候资料进行了分析研究，得出9月份环境温度在27 ℃上下浮动(见图4)，因此建议大体积海工混凝土施工避开白天强光照、高风速等恶劣气候条件影响，建议大体积海工混凝土施工浇筑在9月23日以后开始进行，白天强光照时候进行浇筑准备工作，下午16:30至第2天上午10：00进行连续施工作业，本文模拟工况时候选取施工环境温度取为27 ℃。

图4 舟山市1954-2018年9月份平均气温年际变化

2.2 大体积海工混凝土水化热计算参数分析

2.2.1大体积海工混凝土配合比设计参数

依据设计文件和相关技术标准选用优化后C40海工混凝土施工混凝土配合比如下：水泥126 kg/m3，粉煤灰155 kg/m3，矿粉139 kg/m3，河砂721 kg/m3，碎石1 082 kg/m3，外加剂29.2 kg/m3，水122 kg/m3。

2.2.2大体积海工混凝土比热容和导热系数计算

各组分材料的比热容和导热系数，以及混凝土的比热容和导热系数可通过加权平均进行估算[15]，如式(1)和式(2)所示：

(1)

(2)

式中：Wi为混凝土各组成成分的质量，kg；λi为混凝土各组成成分的导热系数，kJ/(m·h·℃)；Ci为混凝土各组成成分的比热容，kJ/(kg·℃)。

2.2.3海上施工的浇筑温度计算

根据本文前面研究模拟工况选取计算环境温度为27 ℃，采用海上拌合船拌和混凝土，通过集料预冷方式，砂、碎石计算温度25 ℃，水泥计算温度39 ℃、粉煤灰计算温度32 ℃，搅拌水温以冰水混合方式取5 ℃～15 ℃；砂含水率4.8%，碎石含水率为0.8%，拟定出机温度T=24 ℃；综合海上施工等环境因素的影响，计算得到浇筑温度28 ℃。

2.2.4大体积海工混凝土绝热温升计算

假设大体积海工混凝土结构与外界不发生任何热量交换且浇筑过程中无任何热损失，胶凝材料水化热将全部转化为混凝土的温度值，其绝热温升值可按式(3)进行估算[15]，根据可估算混凝土的绝热温升值为56 ℃。

(3)

3 大体积海工混凝土管冷优化温度场模型构建

3.1 有限元模型的构建

论文采用有限元软件MIDAS/Civil对承台C40海工混凝土大体积混凝土结构的温度场的发展与变化进行仿真分析，兼顾计算效率和分析精度，采用六面体网格单元，节点数为26669，单元数为24276，建立ZT4#主承台混凝土有限元模型如图5所示，计算模型中考虑2 m高度的封底混凝土层。

图5 有限元模型

3.2 大体积海工混凝土温度场求解

本文分析考虑带冷却水管混凝土内的热传导效应，其控制方程[15]如式(4)所示：

(4)

按第三类边界条件处理，上述热传导方程式(4)的初始条件和边界条件分别如式(5)～式(7)所示:

初始条件，当t=0时：

T(x，y，z，t)=T0(x，y，z)

(5)

边界条件：

(6)

(7)

式中：n为法线；β为一般边界C的放热系数；θ为绝热温升；Ta为一般边界C上的外界温度；k5为冷却水管的放热系数；TW为冷却水管的水温。

论文采取近似水温法计算[16]如式(8)所示：

(8)

式中：Tw0为入水口温度；TLw为出水口温度。

3.3 大体积海工混凝土温度场模拟

依据前面气象分析和建议施工时间，承包商管冷方案采用布置2层冷却水管，上下交错布置，上下和左右间距均为1 m；因为第二层承台浇筑厚度为4.5 m，浇筑厚度快接近极限值，内部热量难以及时散失，故需要对管冷方案进行进一步优化，优化前管冷计算参数如下：入水温度为30 ℃,管径为0.035 m,管距为1.5 m,流量为2 m3/h,层数为3。

根据有限元建模和优化前管冷布置参数，得到承台混凝土温度场有限元计算的结果，其中承台内部温度峰值见图6，中心温度时程曲线见图7。

图6 温度峰值

图7 中心温度时程曲线

4 管冷优化参数分析

4.1 拟定模拟工况

论文拟定模拟工况，将温度场影响因素归类为外因与内因，复杂的海上施工环境为外因，内部海工混凝土产生水化热导致的内外温差为内因，本文拟定工况假设外因一定，内因变化；模拟工况主要是针对布置的冷却水管的参数进行优化：优化水管布置形式、冷却水温度、水管管径、管距和冷却水流量；模拟施工工况见表1。

4.2 计算结果分析

针对表1中的工况进行有限元模型计算，取典型的位置即中心温度进行分析，得到以下4个中心温度时程曲线，见图8～图11。

表1 工况布置表Table 1 Layout of working condition工况环境温度27 ℃风速5 m/s浇注温度28 ℃水管管径/m水管管距/m冷却水温/℃冷却水流量/(m3·h-1)1√√√0.0181202.52√√√0.0241202.53√√√0.0301202.54√√√0.0361202.55√√√0.0421202.56√√√0.0420.5202.57√√√0.0421202.58√√√0.0421.5202.59√√√0.0422202.510√√√0.0421102.511√√√0.0421152.512√√√0.0421202.513√√√0.0421252.514√√√0.0421302.515√√√0.0421201.516√√√0.0421202.017√√√0.0421202.518√√√0.0421203.019√√√0.0421203.5

图8 工况1～工况5管径的影响计算结果

图9 工况6～工况9管距的影响计算结果

图10 工况10～工况14冷却水温的影响计算结果

图11 工况15～工况19冷却水流量的影响计算结果

从图8可知，在水管直径分别为0.018、0.024、0.030、0.036、0.042 m时，内部最高温度分别为72 ℃、69.7 ℃、68.7 ℃、67.8 ℃、65.6 ℃，可以看出随着水管管径的不断增大，混凝土最高温度不断降低，管径每变化0.006 m，最高温度降低2 ℃左右，且温峰值在降低的同时出现的时间也在提前，降温速率也在不断增大，因此管径的改变有利于温度控制，但管径越大，成本会越增加，故选取管径为0.042 m 的冷却水管。

从图9可知，在水管间距分别为0.5、1.0、1.5、2 m时，内部最高温度分别为64.5 ℃、67.2 ℃、70 ℃、73.1 ℃，当管距由2.0 m缩短到0.5 m时内部温度峰值由73.1 ℃降低到64.5 ℃，水管间距每变化0.5 m温峰值变化3 ℃左右；因此改变管距，降温效果较为明显，考虑到结构强度和经济成本,选取管距为1 m。

从图10可知，在水温每降低10 ℃时，内部最高温度降低3 ℃左右，降温速率增大，最大内表温差降低，是有效的降温措施，但过大温差容易在水管周围产生局部拉应力，生成新的温度裂缝，故选用冷却水温度为20 ℃。

从图11可知，当流量从1.5 m3/h到2.5 m3/h时，内部最高温度约减小了5 ℃，出现时间约提前了6 h，随着流量由2.5 m3/h增加到3.5 m3/h，内部最高温度变化幅度较小，降温效果趋于稳定，因此在考虑冷却效果和控温成本的前提下，选取入水流量为2.5 m3/h。

4.3 模拟与实测对比分析

通过拟定工况分析，建议施工过程中采用工况19进行管冷设置，优化后的水管参数:直径为0.042 m，管距为1 m，布置层数为4层，入水温度为20 ℃，水流量为2.5 m3/h。通过施工过程监测数据中心温度时程曲线对比图(见图12)和降温速率对比图(见图13)，发现降温效果明显，均在规范要求的2 ℃/d以内，且未发现明显裂缝。