预应力混凝土连续刚构桥零号块混凝土水化热温度控制*

曾章波,裴志勇,王 夏,赵永华

(1中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江 杭州 311122;2昆明理工大学,云南 昆明 650500)

0 引言

连续刚构桥零号块位于墩顶,是主梁与桥墩形成固结的核心构件,因此零号块的施工质量对桥梁结构体系至关重要。零号块混凝土裂缝产生的主要原因是因为混凝土在浇筑过程中会产生水化热,使其内部产生温度梯度,待温差过大使得拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时,混凝土产生开裂,影响桥梁结构的安全性、耐久性及适用性[1],所以对其水化热反应的温度控制就显得格外重要。

通常,零号块水化热的温度控制措施以通冷却水管为主[2],后来又制定了零号块水化热反应温度控制相关规范[3]。王晓明、刘薇、罗娜[4]提出了一套“事前预测为主、事中监测为辅”的水化热预测分析流程,并使用该流程较好地解决了零号块浇筑的水化热问题。任更锋、常仕东、张锦凯[5]利用MIDAS/FEA有限元软件对零号块分层浇筑所产生的水化热进行了数值模拟,并将其理论数据与实测数据进行对比,得到了连续刚构桥箱梁零号块不能完全参照《大体积混凝土施工规范》(GB50496—2009)来处理。朱波、龚清盛、周水兴[6]运用有限元软件ANSYS对零号块的水化热温度场进行了分析,对得到的实测值与理论值进行了比较分析,发现在浇筑混凝土的期间,其瞬态温度场与初始温度的关系呈线性状态,其水化热系数影响着温度峰值及其出现的时间,外界大气温度对后期温度场的影响较大。

依托某连续刚构桥零号块施工为防止混凝土水化热反应产生裂缝为基础,提出了在零号块内部空心部分设置降温水箱的温控方案。首先,利用有限元软件MIDAS/FEA对零号块进行数值模拟分析;然后,进行现场实测,将实测结果与数值模拟结果作对比,验证该方法的可靠性。

1 工程概况

某连续刚构桥主桥上部结构采用(65+4×120+65)m波形钢腹板连续刚构,如图1所示。

图1 依托工程立面示意图

该桥4#～8#桥墩零号块节段的构造和尺寸相同,如图2、图3所示。总长度为8 m,底板宽度为6.5 m,厚度为1.5 m,顶板宽度为10.55 m,厚度从2 m过度到0.7 m,混凝土采用C55混凝土,其中选取5号桥墩为试验对象。

图2 零号块立面图

图3 零号块剖面图

2 零号块混凝土水化热效应数值模拟

2.1 截面、节点选取

由于零号块的顶板、底板、腹板与横隔板的厚度和所在的位置都不同,所以其最终的水化热结果也会有一定的差别。考虑到上述因素,研究截面选择了零号块中心和零号块横隔板中心的两个断面,即零号块中心断面为截面C-C、零号块横隔板中心断面为截面L-L,如图4所示。

图4 截面C-C与截面L-L示意图(单位:cm)

针对两个截面研究节点的选取,应考虑两个截面的顶板、底板、腹板的情况。因此两个截面的研究节点选择如图5、图6所示。

图5 C-C截面研究节点

2.2 模型建立

按照零号块的设计尺寸及构造特点,使用软件MIDAS FEA建立零号块仿真分析模型,如图7所示。

图7 桥梁零号块整体模型图

模型建立的同时,根据实际施工中所用的混凝土来定义模型的混凝土特性值[7]、混凝土热学参数。

(1)混凝土特性值

此零号块采用的是C55等级的混凝土,其材料特性值根据现场混凝土检测资料及相关规范确定,其具体情况见表1所示。

表1 桥梁零号块温控标准

(2)混凝土材料热学参数选取

1)抗压强度

混凝土的抗压强度在龄期t时的表达式为:

其中:fck(28)是混凝土龄期到达28天时的抗压强度;α,β是水泥的种类系数。

2)结构周围环境温度

图8 桥梁零号块日环境温度

3)边界对流系数函数

此次模拟,根据零号块的现场环境采用第三类边界条件,即混凝土表面温度值T和外界气温Tα之差与混凝土表面热流量值为反比关系。

其中:β为混凝土表面放热系数。

零号块放热系数β取值情况如表2所示。

表2 放热系数取值

此次模拟过程分析了零号块的顶板、底板、腹板及横隔板的顶板、腹板、底板的温度变化情况,总持续时间为360 h(15 d)的温度时程曲线。

2.3 桥梁零号块中心截面及横向隔板中心截面的节点温度时程曲线

根据模拟结果的数据绘制了两个截面不同部位的温度时程曲线,截面C-C的温度时程曲线的变化如图9-图11所示,截面L-L的温度时程曲线的变化如图12-图14所示。

图9 截面C-C顶板研究节点温度时程曲线

图10 截面C-C腹板研究节点温度时程曲线

图11 截面C-C底板研究节点温度时程曲线

图12 截面L-L顶板研究节点温度时程曲线

图13 截面L-L腹板研究节点温度时程曲线

图14 截面L-L底板研究节点温度时程曲线

由图9-图14可以看出,两个截面的顶板、底板以及腹板的最大里表温差出现的时间都在温升峰值所出现的时间之后。两个截面的不同部位的温升峰值及出现时间、最大里表温差值及出现时间见表3。

表3 截面C-C、断面L-L各部位的温升峰值、最大里表温差值及出现时间表

由表3可知,零号块在混凝土水化热反应的整个过程中50～60 h时达到温度峰值,80 h左右里表温差达到最大值,因此在实际施工时,这两个阶段需要采取相应的温控措施来降低零号块的温度峰值及最大里表温差。

2.4 零号块温控标准及温控措施

(1)温控标准

根据大体积混凝土温控相关规范、零号块现场施工条件以及对零号块数值模拟的结果,制定了零号块温控标准,如表4所示[8-9]。

表4 桥梁零号块温控标准

(2)温控措施

1)在原材料的选取方面。采用C55混凝土并在其中掺加一定量的聚羧酸高性能减水剂和粉煤灰,其配合比设计为每立方混凝土中包含:细骨料707 kg、粉煤灰74 kg、聚羧酸高性能减水剂5.88 kg、水泥416 kg、水147 kg、粗骨料1106 kg。

2)混凝土入模温度方面。混凝土在入模前若未进行降温,导致入模时混凝土的温度过高,则会使其在水化热反应过程中的温度峰值较高,因此在入模前需要采取一些相应的冷却措施,如自然降温或采取物理降温法强制冷却降温等。

3)混凝土养护方面。由于白天日照较强使得零号块周围温度较高,因此需要对其采取散热和保湿措施,而夜晚温度降低,则需要对其采取保温措施。因此零号块的混凝土养护应当从保湿和保温两方面入手,保湿的作用是让零号块不因天气过热而导致水分散失使其产生干缩裂缝,保温的作用则是防止因周围温度骤降而使其表面温度散失,从而造成里表温差过大,形成温度应力导致开裂。由于实际工期原因,零号块未采取管冷措施以及分层浇筑的施工方法,而采用的是一次性浇筑完成方式,因此只能转变其降温措施。对于零号块的外表,使用土工布将其顶板上表面遮盖,并洒水湿润,同时有模板支撑的腹板则采用吊挂湿帘子的方式进行保护。对于人洞内部,设置贴合内部的大体积降温水箱进行降温。

3 现场实测及对比分析

3.1 现场温度场测试断面的选择以及测点的布置

由零号块的构造特点及尺寸和对其数值模拟的情况综合考虑,现场实测面的选择,选用零号块中心截面与零号块横隔板中心截面(图4中C-C及L-L)。而实测点的选择则要顾虑到两断面的顶板、底板、腹板的情况。其中每个测点埋设三个温度传感器,测点选择如图5、图6所示。

3.2 零号块中心截面及横向隔板中心截面现场实测温度结果分析

利用PZ1016S多路温度巡检仪以及K型铁氟龙热电偶(图15、图16),对零号块进行了整个水化热反应温度变化的跟踪监测,最后所得数据绘制成关系散点图,分析零号块各部位在反应过程中的温度变化规律。其具体的监控测点温度变化时程变化规律如图17-图22所示。

图15 PZ1016S多路温度巡检仪

图16 K型铁氟龙热电偶

图17 截面C-C顶板监控测点T-t关系散点图

图18 截面C-C腹板监控测点T-t关系散点图

图19 截面C-C底板监控测点T-t关系散点图

图20 截面L-L顶板监控测点T-t关系散点图

图21 截面L-L腹板监控测点T-t关系散点图

图22 截面L-L底板监控测点T-t关系散点图

根据两个断面的测点关系散点图可知,两个断面的顶板、腹板、底板的温升峰值如表5所示。

表5 截面C-C与断面L-L的顶板、腹板、底板的温升峰值表

由表5可以看出,温升峰值都满足了所制定的第一条温控标准,即结构内部最高温≤76 ℃。截面的里表温差见表6。

表6 截面C-C与断面L-L的顶板、底板、腹板的最大里表温差值表

由表6可以看出,里表温差都满足所制定的第二条温控标准,即结构最大里表温差≤20 ℃。

综上所述,根据数值模拟结果制定的温控措施对零号块中心截面及零号块横隔板中心截面的温度控制取得良好的效果。

3.3 桥梁零号块温度场现场实测结果与数值模拟计算结果对比分析

根据数值模拟结果和实测结果,对两个截面的中心研究节点进行对比分析。具体的研究节点温度时程曲线对比如图23、图24所示。

图23 截面C-C中心研究节点温度计算值与实测值

图24 截面L-L中心研究节点温度计算值与实测值

从图23、图24中可知,两个截面的中心研究节点的数值模拟结果曲线和实测结果曲线中水化热反应温度变化规律基本吻合,这说明了软件MIDAS FEA在结构的水化热反应温度效应分析上具有良好的可靠性;对于两个截面的中心研究节点其水化热反应温升前期来说,它们的数值模拟结果的温升速率都大于实测结果温升速率,这说明所制定的温控措施产生了很好的效果;对于两个截面的中心研究节点水化热反应温升峰值的出现时间及其大小而言,实测结果都比数值模拟结果出现的时间晚且峰值偏小,这说明优化混凝土配合比、降低进入模具温度和在零号块内外采取的降温措施能够减缓混凝土的水化热反应,达到降低温度峰值的作用;对于两个截面的中心研究节点水化热反应温升的后期而言,实测结果的降温速率均慢于数值模拟结果的降温速率。这说明了对于零号块结构的保温措施起到了一定的作用。

4 结论

依托某连续刚构桥零号块水化热温度数值模拟以及现场温度实测结果,将两者数据进行分析对比,得出下述结轮:

(1)在数值模拟结果曲线和实测结果曲线中,水化热反应温度变化规律基本一致,说明MIDAS FEA软件在结构水化热温度分析上具有良好的可靠性。

(2)基于数值模拟结果制定的温控措施,能够有效降低温度峰值并使其出现的时间延后。

(3)因实际工期原因,零号块未进行管冷措施以及分层浇筑,而采用的是一次性浇筑方式,因此,使用所制定的温控措施无法对截面C-C及截面L-L的顶板和腹板这样相对较厚的部位的中心位置进行即时快速降温,导致这些位置在整个水化反应过程中是温度最高的地方。因此,此方法虽能够有效降温,但不是最佳方法。下一步有必要对桥梁零号块分层浇筑以及采取管冷措施等方面展开研究。