保温措施下大体积混凝土冷却管温控温度场和应力场分析*

2024-03-07冉毅

公路与汽运 2024年1期

冉毅

(贵州路桥集团有限公司, 贵州贵阳 550001)

大体积混凝土构件浇筑后混凝土凝结产生热量,构件内部产生的热量容易积聚,而构件表面与空气或模板直接接触,接触面积大,散热较快,导致大体积混凝土构件浇筑后容易出现较大的内外温差。当混凝土构件内温度应力大于混凝土相应龄期的抗拉强度时,大体积混凝土构件出现裂缝,从而降低结构的耐久性。目前大体积混凝土最普遍的温控措施是预埋冷却管,通过冷却管通水带走混凝土内部集聚的热量,降低混凝土内外温差,防止产生温度裂缝。实际施工中,通常采用混凝土表面保温及调节冷却管通水参数等措施改变大体积混凝土温度场、应力场分布,防止产生温度裂缝。

1 工程概况

某高速公路上的一座钢桁梁悬索桥,主跨为650 m,属于特大桥。该悬索桥主塔承台为大体积混凝土构件,单个承台平面尺寸为13.6 m×21.1 m,高度为7 m。承台采用C40 混凝土分两次浇筑,浇筑厚度分别为3 m、4 m。承台底部设置30 cm厚C30混凝土调平层。承台混凝土配合比见表1。

2 水化热计算原理及模型建立

2.1 计算原理

2.1.1 对流边界条件确定

大体积混凝土水化热分析的对流边界条件根据接触情况不同分为四类,承台浇筑过程中与空气或模板直接接触时的对流边界属于第三类边界条件。根据边界条件确定混凝土表面温度T的函数如下:

表1 承台混凝土配合比单位:kg/m3

(1)

式中:λ为导热系数[kJ/(m·h·℃)];n为混凝土表面外法线方向;β为混凝土表面放热系数[kJ/(m2·h·℃)];Ta为对流介质温度(℃)。

2.1.2 温度场计算原理

承台浇筑后的水化热温度场是对流边界和水管冷却共同作用下的不稳定温度场,须根据水管冷却作用下大体积混凝土的等效热传导方程确定实际情况下的温度场,公式如下:

(2)

式中:T为混凝土温度(℃);a为导温系数(m2/h);T0为混凝土初始温度(℃);Tw为冷却管入水口温度(℃);∂φ/∂t表示考虑初始温差T0-Tw的影响;θ0为混凝土最终绝热温升;∂ψ/∂t表示考虑混凝土绝热温升的影响;∂η/∂t表示考虑外界温度的影响。

导温函数如下:

(3)

式中:c为比热容[kJ/(kg·℃)];ρ为混凝土密度(kg/m3)。

2.2 有限元建模

2.2.1 模型热力学参数

混凝土浇筑时的环境温度与入模温度均为20 ℃,混凝土表面对流系数取50.232 kJ/(m2·h·℃),冷却管外径为48 mm,管壁厚度为2.5 mm,冷却管进水口温度为15 ℃,水流量为2.5 m3/h,此时冷却管的对流系数为1 130.83 kJ/(m2·h·℃),承台和地基材料的热力学参数见表2。

表2 材料的热力学参数

2.2.2 水化热模型建立

根据承台结构和冷却管布置的对称性,建立1/4承台模型,模型尺寸为10.55 m×6.80 m×7.00 m。考虑地基传热效应,扩大地基平面尺寸。有限元模型采用八节点实体单元,承台共计9 996个单元,地基共计3 800个单元,整体模型共计13 796个单元。有限元模型见图1,冷却管布置见图2。

图1 承台水化热分析模型

3 水化热温度监控

3.1 温度传感器布置

该桥一岸主塔右幅承台第一次浇筑从2021 年5月1 日 22: 00 开始,5月3日 22: 00结束,共浇筑3 m,浇筑期间温度为19.0～23.4 ℃;第二次浇筑从2021 年5月18 日 22: 00 开始,5月22日2:00结束,共浇筑4 m,浇筑期间温度为18.5～22.6 ℃。

图2 冷却管布置示意图(单位:cm)

根据承台结构形式和冷却管布置情况,将承台温度传感器设置在冷却管布置截面,以承台第一次浇筑3 m为例,下、中、上三层混凝土从下至上编号为A、B、C,每层各布置6个温度传感器,集中布置在承台平面的1/4区域内。温度测点布置见图3。

图3 温度传感器布置示意图(单位:cm)

3.2 实测温度分析

承台两次浇筑的时间间隔为15 d,第二次浇筑时第一次浇筑的混凝土内部温度场已基本稳定,第一次浇筑混凝土的温控已基本完成。因此,主要分析承台第一次浇筑时混凝土的温控过程,分析大体积混凝土冷却管的温控效果。根据承台第一次浇筑时的实测温度,绘制下、中、上三层混凝土里表温差时程曲线(见图4)。

图4 各层混凝土里表温差时程曲线

由图4可知:1) 混凝土浇筑完成40～60 h后,承台内部温度达到峰值,各层最高温度分别出现在测点A2、B4、C6位置,第一次浇筑后承台温度峰值为57.9 ℃,出现在中层混凝土浇筑61 h后的B4测点,最大温升为38.3 ℃,小于50 ℃。下层混凝土内部升温速率最快,这是由于与混凝土接触的地基传热速度慢,同时积聚的热量会加快水化放热反应,造成内部温度急速上升。2) 从下至上三层混凝土内部降温速率分别为2.3 ℃/d、2.6 ℃/d、3.5 ℃/d,均大于2 ℃/d。中、下层混凝土最高降温速率都发生在降温前期的冷却管通水阶段,承台第一次浇筑完成80 h后冷却管开始间歇性通水,此时降温速率均低于2 ℃/d;降温速率最快的上层混凝土,其内部最大温度为47.5 ℃,且维持时间较短,这是由于上层混凝土浇筑完成后,其上表面没有设置保温措施进行养护,导致混凝土上表面直接和空气对流,在空气和冷却管对流的综合作用下内部热量被迅速带走。3) 各层测点1的温度即为表面温度,测点1温度通常在浇筑40 h后开始下降。各层混凝土测点1的降温速率均显著大于内部降温速率,这是由于混凝土侧表面与模板对流,对流面积大,散热较快。最大里表温差出现在中层混凝土浇筑99 h后,温差为20.6 ℃,小于25 ℃,中层混凝土里表温差长时间维持在20 ℃左右,这是由于冷却管连续通水降温持续时间较短,造成混凝土内部后期降温速率减慢,而混凝土表面降温速率快,导致混凝土里表温差长时间维持在较高水平。

综上所述,冷却管过早结束连续通水会导致混凝土降温后期长时间维持较大的里表温差;相对于中、下层混凝土,上层混凝土内部最大温度较小,且降温速率较大,导致与空气直接接触的上表面的温度更低,降温速率更大,且上表面与内部高温区的距离较近,因而形成较大的温度梯度,混凝土开裂风险增大。

3.3 理论计算与实测值对比分析

选取测点B1、B4进行温度计算并与实测温度对比,结果见图5。由图5可知:混凝土浇筑0～25 h后计算温度比实测值大,这是由于采用的混凝土放热函数与实际有偏差,且实际施工过程中中、上层混凝土连续浇筑,上层刚浇筑的混凝土水化程度不高,相对于中层混凝土,刚浇筑的混凝土相当于进行热传递的对流边界,数值模拟中很难模拟这一过程的热传递,造成水化初期温度计算值与实测值相差较大。其余各阶段计算温度和实测温度相差均不超过3 ℃。

图5 B1、B4测点的计算温度与实测温度对比

图6为混凝土浇筑60 h后承台温度分布。由图6可知:峰值温度出现在中层混凝土浇筑60 h后的B4测点附近,与实测值相差1.9 ℃;计算最大降温速率为2.8 ℃/d,大于2 ℃/d,与实测值2.6 ℃/d接近。有限元模型计算温度与实测温度相差不大,模型的可靠性较好,可根据模型计算结果分析承台温控过程中的温度场和应力场。

混凝土浇筑后承台应力和容许拉应力见图7,混凝土浇筑115 h后承台应力分布见图8。由图7、图8可知:下层混凝土浇筑115 h后,在下层节点N5332处出现拉应力峰值,为2.52 MPa,该节点各时段水化热产生的表面拉应力均小于容许拉应力,说明结构整体安全。节点N5332拉应力长期处于增长阶段,下层混凝土的里表温差也长期维持在较大值,表面拉应力与温差变化规律基本相同。大拉应力区主要分布在承台上表面,这是由于混凝土上表面散热较快,而内部散热较慢,导致上表面与内部温度之间形成较大的温度梯度,与实测结果相符。