大体积混凝土承合水化热及温控措施研究

・桥涵工程・大俸积琨凝土承合水了匕热及温控措袍研究张静（中铁第五勘察设计院集团有限公司北京１蚴）摘要为了确保大沙沟特大桥的大体积混凝土承台冬季施工达到施工要求，采用有限元程序Ｍｉｄａ＆／Ｃｉ访ｌ按照一次浇筑施工、冷却管布置、水流情况及各种不同边界情况进行水化热温度场和温度应力数值分析，并对影响水化热的内外部因素进行了优化分析。采用优化后的数据，承台的实测数据与理论值吻合较好，承台混凝土水化热产生的温度梯度扣应力都较，Ｊ、，最大温差在规范要求范围之内，保证了承台的施工质量。关键词桥梁工程大体积混凝土承台水化热温度控制温度应力中图分类号Ｔｕ５２８．ｏｌ；ｕ４４５．５５９文献标识码Ａ文章编号１００９—４５３９（２０１３）０１—００１７一０４ＳｔｕｄｙｏｎＨｙｄ豫廿ｏｎＨ朗ｔａｎｄＴｅｍｐｅｒ咖ｒｅＣｏｎｔｒｏＩＭｅａ辄ｒｅｏｆＭａ鹤Ｃｏ眦弛ｔｅＣａｐＺｈａｎｇＪｉｎｇ（ｃｈｉｎａＲ丑ｉｌｗａｙＦｉｆｍＳｕｒｖｅｙ锄ｄＤ娲ｉ驴Ｉ璐ｔｉｔｕｔｅＧ删ｐＣｏ．Ｌｌｄ，，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２６００，Ｃｈｉｎａ）Ａｈ出撤ｔＴｂｅｎｓｕｒｅｔｌＩｅｍａｓｓｃｏｎｃＩｅｔｅｃ叩ｏｆｔ｝ｌｅＤ盼ｈａｇｏｕＬａｒｇｅＢｒｉｄｇｅｅｏ舾ｔｍｃｔｉｏｎｌｉｖｅｕｐｔｏｔ．Ｉｅｒｅ（Ｉｌｌｉ他ｍｅｎｔ，ｔｌｌｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍ帅ｔ蚰ａｌｙｓｉｓｐｍＩ弘功Ｍｉｄａｓ／ｃ确ｌ诂印ｐｌｉｅｄｔｏ髓ｔａｂｌｉｓｈａｔｈｒｅｅ坷ｉｍ朗ｓｉｏｎａｌ妯ｄｆｉＪｌｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌ０ｆｔｈｅｍＢ鼬ｃｏｎ．ｃｒｅｔｅｃ印．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔ０８咖ｔｉｌｌｇｃｏｆＩｓｕｕｃｔｉ∞，ｃ００Ｉｉｎｇｔｕｂｅｌａｙｏｕｔ，ｎｏｗｃ∞ｄｉｔｉｏｎ粕ｄ出薯如ｎｔｂ０岫ｄａｒｙｃ帅ｄｉｔｉｏｎ，ｔＩＩｅｔｅｍ－ｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａｎｄｓｔｒ船ｓ０ｆｈｙｄｒａｔｉ∞ｈｅａｔｉｓｎ岫谢ｃａｌｌｙａ１１ａｌｙｚｅｄ，柚ｄ山ｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｆａｃｔｏｒｓｉｓ叩ｔｉｍａｌｌｙａ１１ａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｍｅ舾－ｌＪｒｅｄｒｅ“ｌｔｓ町ｅｉｎｌｉｎｅｗｊｔ｝ＩｔｈｅａＩｌａｌｙｓｉｓｒｅｓｌｌｌｔｓ．１１１ｅｔｅｍｐｅｍｔｕｒｅｇｒａｄｉｅｍ如ｄｓｔＩ髓ｓｏｆ小ｅｍａ船ｃｏｎｃｒｅｔｅｉｓＩＩｌｉｎｏｒ．ｔ１１ｅ眦函一ｍｕｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉ丘－ｅｒｅｎｃｅｉｓ访ｔｈｉｎｔｈｅｓｃｏｐｅ０ｆ山ｅｓｔａｎｄａｒｄ，ｂｕｔｔｈｅｉｎｄｕｅｎｃｅｆａｃｔｏｒｓｍｕｓｔｂｅｃｏｎｓｉｄｅＩ嗣ｉｎｔｈｅｃｏ璐ｔｎｌｃ－ｔｉｏｎ蚰ｄⅡ的ｎｉｔ谢ｎｇｐｒｏｅｅ晒．Ｔｈｅ蚰ａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓｃ锄ｂｅ阳ｆｅｒｒｅｄｔｏｃｏｎｓｔｎＩｃｔｉｏｎｏｆｔｌｌｅｓａⅡｌｅｔｙｐｅｐｉｌｅｃ印ｓｉｎｔｌｌｅｗｉｎｔ口．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ¨ｄｇｅｅｎ舀ｎｅｅｒｉｎｇ；ｍ眵ｓｃｏｎｃｒｅｔｅ；ｐｉｅｒｃａｐ；ｈｙｄｒａｔｉｏｎｈｅａｔ；ｔｅｍｐｅ阳恤ｃｏｎｔｍＩ；ｔｅｍｐｅｒａｍｍｓｔｒｅｓｓ１引言引起人们的重视。而且相关规范均对大体积混凝土结构施工过程中的温度控制和温度监测做出了大跨径预应力混凝土连续梁桥、连续刚构桥，规定。文献［１］中全面阐述了大体积混凝土结构温尤其是跨越险峻沟谷的桥梁，得到了广泛的应用。度场、温度应力的计算方法和控制温度防止裂缝的但连续刚构桥的箱梁和承台都属于大体积混凝土工程措施。侯景鹏等旧１研究指出温度监测不是目结构，在浇筑和硬化过程中，由于混凝土的热传导的而只是一种手段，根据监测了解混凝土温度场分性能很差，使得混凝土产生不均匀温度变形和应布变化情况，采取或者调整合理而有效的温度控制力，一旦拉应力超过混凝土即时抗拉强度，混凝土措施，才是防止温度裂缝的关键。就会产生裂缝。这不仅影响结构的质量和美观，还下面结合大沙沟预应力混凝土连续刚构特大影响结构的承载力和耐久性。因此对诸于类似箱桥冬季施工对其大体积混凝士承台的温度控制，及梁和承台这些大体积混凝土结构的温度问题已经温度应力从材料、施工、冷却管的布置、管径大小以及流速等方面进行优化分析研究，提出了该承台冬收稿日期：２０１２一ｌｌ—１２季施工有效的温控措施。铁道建筑技术冠４纪瞅ｙｃＩ功心硎，Ｃ７７ＣＷ琵℃懒ＤＧｙ２Ｄ，３，，，１７万方数据・桥涵工程・２有限元计算原理结构水化热温度场分析属于瞬态分析，温度应力分析则是根据温度场分析得到的温度值作为荷垂匡三亘垂匡雪ｇ降ｊ㈧载施加到结构上进行求解。水化热温度场和温度应力的求解是一个半耦合过程，需分两个过程求解。在区域尺内，混凝土在水泥水化热的作用下，按照热量平衡的原理，其热传导方程可以表示如下：（窘＋雾＋磐）＋吉（筹一等）＝ｏ（Ｖ（ｚ，ｙ，ｚ）∈Ｒ）（１）毛匡ｃ．奇数层冷却管平面布置图１ｄ．偶数层冷却管平面布置对于不稳定温度场的热传导问题，可以等价于下列泛函极值问题：温度ｒ（ｚ，ｙ，ｚ，丁）在丁＝ｏ时取给定的初始温度７１＝瓦（ｚ，ｙ，ｚ），在第一类边界上取给定的边界温度咒，并使下列泛函取极小值：冷却管布置示意（单位：ｃｍ）ｒ）＝珂｛÷［（警）２＋（等）２＋（誓）２］一吉（筹一等）丁）以妙如＋皿［扣ｒ２一声咒ｒ］基，ｃ（２）图２有限元模型及冷却管的布置３．３优化设计３．３．１式中，ｒ为温度；丁为时间；口为绝热温升；卢为冷却管布置放棼系罄；，望三銎系数；Ⅱ为导温系数；Ｌ为气温；瓦为已知边界温度。３３．１根据文献［１］研究表明，影响混凝土绝热温升的因素：水泥用量、水泥品种、混合材料品种、用量和浇筑温度。而冷却管的布置对混凝土的降温及其应力影响也较大，这里首先对冷却管布置的层数以及水泥种类进行优化设计。对浇筑混凝土后的９３０温度控制优化设计工程背景大沙沟预应力混凝土连续刚构特大桥承台基础长２４．２ｍ，宽３９．９５ｍ，高７．５ｍ。为了能描述承ｈ进行了水化热分析，其中管冷作用于前１６８ｈ台混凝土在浇筑时，其热量传递给地基的情况，在分析时，将地基模拟为具有一定比热和热传导率的结构，地基尺寸长３４．２ｍ，宽５０ｍ，高４ｍ。应施工工期的要求，高４ｍ承台需一次浇筑。应业主和施工单位要求，在节约工程造价的前提下，对浇筑的承（７ｄ），流人温度５℃，流量ｌ・５ｍ３／ｈ，冷却管内径４１ｍｍ，环境温度为１５℃。限于篇幅，仅歹０出在单位体积水泥用量２７７ｋｇ／ｍ３，采用掺加２０％粉煤灰水泥（掺加混合材料对混凝土绝热温升有重要影响，而且掺加粉煤灰的降热效果优于掺加矿渣的）的情况下，冷却管分别布置４层和５层两种情况的分析结果。（１）由于早期混凝土弹性模量比较小，松弛系数台从冷却管的布置、管径、水流流速以及水泥种类等方面进行优化设计，保证承台浇筑质量。冷却管初步按５层布置，层间距７０ｃｍ，水平间距１００具体布置如图ｌ所示。３．２有限元模型ｃｍ，也比较小，其应力数值不大。但在后期降温阶段，混凝土弹性模量逐渐增大，松弛系数也较大，随着承台内温度的降低，在承台表面将产生较大的拉应力。（２）混凝土采用掺加２０％的粉煤灰水泥，布置４层冷却管，在浇筑１３０ｈ后，混凝土表面拉应力超限，开始出现裂缝。２ＤＴ３ｒ７Ｊ由于结构具有对称性，所以分析时只取１／４结构进行建模和分析。运用大型有限元结构分析软件ＭｉｄａＳ／Ｃｉｖｉｌ建模，单元采用实体单元。模型共有节点１４４１３个，单元１２４００个。有限元模型如图２所示。１８易ｅ道建麓技术闩Ａ『ＬＭｙＣＯ～Ｓ丁开Ｕｃ丁『ｏ～丁￡－ｃＨ～ｏＬＯＧｙ万方数据・桥涵工程・（３）混凝土采用掺加２０％的粉煤灰水泥，布置径ｒ为４ｌ和５０ｍｍ时，均满足规范要求。因此，从５层冷却管，混凝土表面则不会出现裂缝。３．３．２冷却管流速及管径基于上述研究结果，下面主要对冷却管的流量以及管径进行优化设计。降低工程造价方面，冷却管内径采用４１３．４温控措施ｍｍ。根据上述分析结果，在满足规范要求的前提下，提出了该承台大体积混凝土冬季施工过程中采取以下温控措施：（１）混凝土浇筑温度控制在１０℃为宜；ｐ谴蝇（２）浇筑承台混凝土时，环境温度不能低于１５℃；（３）冷却管注水时间不能低于７ｄ；（４）冷却管内径不宜低于４１时间／ｌｌｍｍ；（５）冷却管布置５层为宜，层间距７０ｃｍ，水平间距１００ｃｍ。图３不同流量下混凝土温度随时间变化的曲线４实测情况分析ｐ４．１实测概况根据提出的温控措施，施工方在承台现场搭设塑蠢嘎棚，以保持棚内温度１０—１５℃，最低温度不低于５℃，布设５层循环冷却水管，层间距７０ｃｍ，蛇形水平间距１００ｃｍ，管外径４８ｍｍ，壁厚３．５ｍｍ。该承台浇筑时间Ｔ０９：４０—２２Ｔ１１：３０。图４不同管径混凝土温度随时间变化的曲线２０１２．吆—２０从图３—４得出以下结论：（１）关于最大温差不超过２５℃的规定，文献４．２测试元件布置温度监测点的布置以能真实反映混凝土的内［３］认为该限定过于绝对和严格。一些工程监测温差超过该限值却未出现温度裂缝问题。水流流量为０．６ｍ３／ｈ时，虽然最大温差超过２５℃，但是外温差、降温速度及环境温度为原则。根据该承台的对称性，在承台内布置３层测点，埋设位置及编号如图５所示，共计１８个测点。ｆ！塑２：§应力接近应力限值。ＡｃＩ２０７委员会Ｈ１建议温差限值应该是和混凝土龄期、抗拉强度、弹性模量、热膨胀系数、构件约束程度等因素相关的函数，并给出具体公式。文献［２］建议温度梯度Ｇｒａｄ度ＧｒａｄＴ≤１０℃／ｍ。Ｔ≤ｔ１６℃／ｍ。本文有限元分析时，控制混凝土温度梯ａ．测温度立面布置（２）冷却管内水流的流量在ｏ．６和１．２ｍ３／ｈ之间的变化，从图３看出，水流流量对混凝土温度的影响较小。但水流流量在０．６ｍ３／ｈ时，最大温差略超过规范２５℃的规定，水流流量在１．２ｍ３／ｈ时，最大ｆ＿—————————————————１１９９７．５温差满足规范不超过２５℃的规定＂ｏ。因此，要求冷却管内水流的流量不能低于１．２ｍ３／ｈ。（３）冷却管内径ｒ从３０一５０ｍｍ之间变化时，内径ｒ为３０ｍｍ时，最大温差超过２５℃的规定，内铁道建筑技术闩ＡｆＬＷＡｙＣ０～Ｓ丁只ＵＣ丁『Ｏ～丁ＥＣｌＨ～ＯＬＯＧｙ２０Ｔ３４ｆ７Ｊｂ．测温点平面布置图５测温点布置示意（单位：ｃｍ）１９万方数据・桥涵工程・４．３测试方法水化热监测时间是从混凝土浇筑开始至浇筑完成后７ｄ，在此期间根据混凝土的温度观测值采取不同的测试频率。由于大部分水化热是在混凝土浇筑后７２ｈ内释放的，故在此段时间内每２ｈ进行线出现波折，这因为计算模型没有考虑后浇筑混凝土对先浇筑混凝土的影响。这主要由于计算模型不能完全模拟承台实际所处的环境及水流的温度，混凝土材料的组成成分与理论有所差别。从实测记录报告看出，５０ｈ以后承台环境温度已低于１０℃一次温度测试；待混凝土温度上升到最大值后，将监测周期改为每３ｈ一次；等混凝土温度下降均匀后，将监测周期变更为每１２ｈ一次。４．４实测结果（１）根据现场实测数据绘制承台边角和承台中（平均温度６．８℃），并且承台处于冬季，使得后期混凝土实测值温度降低速度比计算值稍快一些。，ｏ｝蝇ｌｏ｝＝囊害辜患誊案爰盔心测点的温度变化曲线（见图６）。从图６中可以看出，混凝土浇筑完后，水化热温度迅速升高，在砼浇筑完后５０～６０ｈ达到最高，最高温度为５２ｃＣ，出现在混凝土浇筑完５０ｈ的１．３测点位置。越靠近混凝嚣Ｍ／、．Ⅳ八＾一．：卜／＼—／——一一５卜—扩－妒－护—莳１蔚’葡’拶ｒ时间／ｈ图７承台中心进出水温度变化曲线８０７０６０５０土中心，温度越高。而且前８０ｈ以前混凝土内部温度比较稳定，相应温度曲线比较平滑。ｐ谴４０ｐ遗蝇喟３０一２０１０Ｏ时问／ｌｌ时间／ｈ７Ｎｋ—ｔ＝＝＝图８承台中心各测点实测与计算值分析图６承台中心和边角测点温度变化曲线（２）承台边角的测点温度曲线（见图６）受到环境Ｊ锚术顷大沙沟特大桥的大体积混凝土承台施工方采用和散热边界的影响，曲线出现波折。由于混凝土间温度的传递慢于混凝土与空气间的传递，因此承台中心温度高于承台边角的温度，比承台边角较平缓一些，承台边角的测点温度下降较快一些。实测温度曲线本文提出的温控措施，承台混凝土内部温度实测值与计算值吻合较好，拆模后表面质量良好，无裂缝产生，说明了温控措施的有效性，可为类似工程提供参考。参考文献［１］朱伯芳．大体积混凝土温度应力与温度控制［Ｍ］．北还反映了后浇筑混凝土对先浇筑混凝土的影响。．‘三’堡孽实翼迥擘｛号薏．，人要．翌烹烹翼乎望１２・４℃，最低７℃，最高１８ｏＣ。因此对混凝土人模温度控制起到了良好的效果。（４）根据实测数据（见图７），冷却管内水流的流量１．５ｍ３／ｈ，循环冷水的进水温度２～５℃，出水温度１４～２３℃，进出水温差最大为２１ｑＣ，最小为１１‘。亲ｉ；旨毛另量聂ｉ，１９；９：ｉ一５：～～…。一测［Ｊ］．混凝土，２００４（５）：５６—５８．［３］ＧａｊｄａＪ．ｃｏｎｔｍｕｉｎｇＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎＭａｓｓ［２］侯景鹏，熊杰，袁勇．大体积混凝土温度控制及现场监ｃｏｎｃｒｅｔｅ［Ｊ］．ｃｏｎｃｒｅｔｅＩｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌ，２００２（１）：５９—６２・ｃｃ。这说明循环水管的设置能够带走混凝土产［４］Ａｃｌ２０７・２Ｒ—０７・Ｒ８ｐｏｎ。ｎ卟。册ａ１ａｎｄＶ。１ｕｍ８ｃｈａｎｇｅｃ。ｎ一生的水化热，对降低混凝土温度具有非常大的作用。（５）从图８可以看出，承台中心各测点５０ｈ以［５］Ｅ如。‘：。ｒ｜ｃｍ唑翌。：Ｍ竺ｃ。“。糟‘８［ｓ］・Ａｍ８ｄ。ａｎ中华人民共和国铁道部．ＴＢ１０２ｌｏ一２００ｌ２００１：４８—４９．铁路混凝前，实测值略高于计算值，５０ｈ以后实测值略低于计算值。而且计算值曲线比较平缓一些，实测值曲２０土与砌体工程施工规范［ｓ］．北京：中国铁道出版社，铁道建麓技术只弭『ＬＷＡｙｃ０～Ｓ丁开ＵＣ订Ｏ～丁￡－ｃＨ～０￡．ＯＧｙ２Ｄ７３ｆ７Ｊ万方数据