某提篮拱桥拱座混凝土水化热仿真与控制技术研究

2022-11-19付柳源

西部交通科技 2022年8期

付柳源

(广西路桥工程集团有限公司，广西南宁 530200)

0 引言

在大体积混凝土浇筑施工过程中，由于水泥水化热的产生，使得混凝土结构内外温差较大，产生温度自应力，引起温度裂缝的产生[1-2]，从而影响结构的正常使用。同时，拱座是拱式结构的关键部位，是结构设计中必须重点考虑的对象，因此模拟拱座浇筑过程中水化热的产生并采取相关温控措施[3]，通过对实体工程合理的监控测点布置获取可靠的水化热变化数据，根据实测数据来控制施工质量显得尤为重要。

1 工程背景

该桥位于广西崇左市境内，主桥为跨径360 m的中承式钢管混凝土提篮拱桥，全桥长968.5 m。其主墩基础为扩大基础，基底嵌入完整基岩中，拱座采用C40防水混凝土并分六层进行浇筑，层高分别为3 m+2.5 m+2.5 m+2 m+2 m+3 m。详细构造和混凝土浇筑方量统计如图1和表1所示。

图1 拱座构造示意图

表1 拱座主体浇筑方量统计表

2 拱座数值仿真分析

2.1 结构几何模型及参数设置

利用有限元软件Midas Fea建立本文研究对象[4]，如图 2所示。结构通过映射方式生成8节点六面体单元，节点数为56 033个、单元数为51 414个。模型内部考虑三种边界条件：固定约束边界、对流热交换边界、基础固定温度边界。材料参数取值见下页表2和表3。

图2 拱座模型图

表2 拱座主体混凝土配合比表

表3 C40拱座混凝土热工参数表

2.2 温度场分布情况

根据有限元计算结果，在未考虑温控措施的情况下，浇筑每一层拱座其整体温度分布情况如图3～8所示。

图3 拱座第一层温度场分布云图

图4 拱座第二层温度场分布云图

图5 拱座第三层温度场分布云图

图6 拱座第四层温度场分布云图

图7 拱座第五层温度场分布云图

图8 拱座第六层温度场分布云图

拱座施工时正值广西6、7月份，境内天气炎热干燥，假定拱座混凝土的入模温度为28 ℃。经有限元分析计算，拱座第一层混凝土内部中心温度最高达68.6 ℃，拱座第二层混凝土内部中心温度最高达103.8 ℃，拱座第三层混凝土内部中心温度最高达105.1 ℃，拱座第四层混凝土内部中心温度最高达101.6 ℃，拱座第五层混凝土内部中心温度最高达101.1 ℃，拱座第六层混凝土内部中心最高达90.9 ℃。拱座体表比较小，在浇筑过程中，随着混凝土水化热的不断发生，聚集在其内部的热量得不到完全释放，而混凝土表面不断与外界环境进行热量交换，因此导致混凝土中间内部温度高，表面温度较低的现象。由于未采取任何温控措施，浇筑在后一层拱座混凝土时，受到前一层浇筑完成混凝土的影响，热交换趋势更加缓慢，后浇层在方量较大的情况下，内部中心温度愈来愈高。

3 温控措施

根据大体积混凝土水化热数值仿真计算结果，并结合大体积混凝土施工技术规范，综合考虑经济合理及现场施工方便等因素，在拱座主体增加冷却管作为温控措施[5-7]，冷却管布置如图9所示。在Midas Fea软件中，冷却管通过给对应单元施加荷载的方式体现，其中材料参数如表4所示。

图9 冷却管立面布置图

表4 管冷系统热工参数表

4 测点监控措施

4.1 测点布置方式

充分考虑监测经济合理性，在拱座1/4结构范围内布设温控传感器，由于拱座各部分混凝土浇筑时间上存在差异，在每一拱座浇筑层布设三层传感器，布置方式为每一层上下顶底面5 cm及中心位置处，横向布设根据拱座宽度适时调节，具体如图10～11所示。其中重点监控每一层核心区域处。

图10 测点布置立面图

图11 测点布置平面图(cm)

4.2 监测频率

在拱座浇筑过程中，入模温度的测量，每台班不应少于2次，以实时信息反馈更新拱座数值模型。其中温控数据的监测频率为在1～3 d每4 h一次，3～5 d每2 h一次，5～7 d每4 h一次，共监测7 d。

5 监测结果与分析

根据工程拱座各层测点水化热的实际监测结果，与采取温控措施后的数值仿真混凝土理论温度值对比分析，如表5所示。

表5 拱座水化热实测和理论数据分析表

由前页表5可知，拱座采取温控措施后的水化热明显大幅度降低，且现场实测数据与水化热仿真结果走势基本趋于一致[8]。个别理论数据与现场实测数据存在一定差异，主要源于现场施工环境温度较高，入模温度难以控制。从总体走势来讲，混凝土的水化热峰值出现在浇筑完成后的前两三天。此后随着混凝土龄期的增长，混凝土的温度逐步降低，满足内部最高温度均<75 ℃，内表温差<25 ℃，在28°入模温度基础上的温升值≤50 ℃的规范要求。