靳江海

(中鐵十七局集團(tuán)有限公司 山西太原 030006)

1 引言

大體積混凝土溫控技術(shù)一直是土建工程領(lǐng)域研究的重要課題之一。由于混凝土本身的熱傳導(dǎo)性能較差，當(dāng)澆筑的混凝土體積較大時(shí)，膠凝材料水化過程中釋放的熱量[1]，易使混凝土產(chǎn)生過高的溫度應(yīng)力，若不采取必要的措施，結(jié)構(gòu)就會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫，影響工程質(zhì)量與耐久性能[2-3]。

為避免大體積混凝土水化熱溫度裂縫，需要做好兩方面工作:一是控制混凝土絕熱溫升；二是控制混凝土芯表溫差?？刂菩静拷^熱溫升措施一般是降低混凝土水化熱和混凝土內(nèi)預(yù)埋冷卻水管兩種措施同時(shí)使用[4]。目前降低絕熱溫升措施規(guī)范中已經(jīng)明確，但冷卻水管降溫措施受計(jì)算混凝土最高溫升困難影響[5-6]，規(guī)范中沒有對(duì)冷卻水管預(yù)埋間距、孔徑及水溫、流速等參數(shù)做具體規(guī)定，需要進(jìn)行研究。本文以長(zhǎng)滸大橋CA輔道橋承臺(tái)為研究對(duì)象，采用Midas Civil軟件建立實(shí)體單元，分析了冷卻水管間距、長(zhǎng)度、水溫、流水速度等參數(shù)對(duì)承臺(tái)內(nèi)部溫度影響和不同模板對(duì)芯表溫差影響規(guī)律，為今后類似工程提供借鑒。

2 工程概況

蘇州城北路(長(zhǎng)滸大橋-婁江快速路段)改建工程位于蘇州市城區(qū)北部，其中新建長(zhǎng)滸大橋并排設(shè)計(jì)有三座橋梁，分別為兩側(cè)斜拉索輔道橋(CA輔道橋+CB輔道橋)及中間連續(xù)梁主線橋(CM主橋)。本文以CA輔道橋主塔承臺(tái)施工為背景進(jìn)行研究。CA輔道橋主塔承臺(tái)為矩形結(jié)構(gòu)，尺寸25.5×12×4 m，混凝土方量1 224 m3。承臺(tái)整體位于基坑內(nèi)，基坑與承臺(tái)間距1 m，基坑開挖到底后整平，澆筑20 cm厚的混凝土墊層。

承臺(tái)混凝土專用配合比見表1。其中水泥采用浙江湖州煤山南方水泥有限公司“南方”牌P.O42.5水泥；砂采用蕪湖長(zhǎng)江中砂，細(xì)度模數(shù)2.8；碎石選用浙江湖州花崗巖碎石，2～25 mm連續(xù)粒級(jí)；粉煤灰采用蘇州華望新型建材有限公司II級(jí)粉煤灰；礦粉為無錫新三洲特鋼有限公司S95礦粉；外加劑為浙江桐化化工有限公司TH-A-IX(01)型聚羧酸高效減水劑。

設(shè)計(jì)要求混凝土一次性澆筑完成，混凝土最薄厚度4 m，屬于規(guī)范規(guī)定的大體積混凝土。

表1 承臺(tái)C30混凝土配合比 kg/m3

3 參數(shù)分析

采用有限元軟件Midas Civil對(duì)承臺(tái)大體積混凝土進(jìn)行水化熱計(jì)算。大體積混凝土澆筑后的溫度變化與混凝土配合比、混凝土的入模溫度、混凝土與外部的熱交換、內(nèi)部冷卻水管的布置等多種因素有關(guān)。背景工程為對(duì)稱的立方體結(jié)構(gòu)，為節(jié)約計(jì)算時(shí)間、提高計(jì)算效率，承臺(tái)按照1/4模型進(jìn)行計(jì)算[7-8]。模型包括地基、墊層及承臺(tái)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

3.1 邊界設(shè)置

(1)熱分析邊界:承臺(tái)、墊層與空氣接觸面施加對(duì)流邊界，其中承臺(tái)側(cè)面考慮模板的隔熱效應(yīng)，頂面按裸露表面處理。

圖1 有限元計(jì)算模型

(2)力學(xué)邊界:地基底面、側(cè)面按固結(jié)處理，結(jié)構(gòu)各對(duì)稱面約束對(duì)應(yīng)方向的法向自由度。

3.2 計(jì)算參數(shù)

混凝土絕熱溫升按式(1)計(jì)算。

式中，T(t)為混凝土齡期為t時(shí)的絕熱溫升(℃)；W為1 m3混凝土的膠凝材料用量(kg/m3)；Q為膠凝材料水化熱總量(kJ/kg)；C為混凝土的比熱[kJ/(kg·℃)]；ρ為混凝土的重力密度；m為與水泥品種、澆筑溫度等有關(guān)的系數(shù)(d-1)；t為混凝土齡期(d)[9]。

RSSI-MCL算法雖然能夠在一定程度上提高算法的定位精度，但是以犧牲算法的運(yùn)算效率為代價(jià)的，這使得數(shù)據(jù)量較大時(shí)，對(duì)于節(jié)點(diǎn)的定位時(shí)間花銷較高，今后將從提高算法的運(yùn)算效率、降低時(shí)間復(fù)雜度入手進(jìn)行研究，以更進(jìn)一步優(yōu)化算法。

有限元模型計(jì)算中涉及的材料相關(guān)計(jì)算參數(shù)如表2所示[10]。

表2 相關(guān)計(jì)算參數(shù)

3.3 冷卻水管方案比選

冷卻水管主要考慮橫向及豎向間距，根據(jù)承臺(tái)的具體尺寸，分別按照2 m、1.5 m、1 m及0.5 m四種間距，每層獨(dú)立設(shè)置，每層流量1.5 m3/h分析承臺(tái)溫度變化[11]。

冷卻水管的間距變化，對(duì)承臺(tái)內(nèi)部溫度影響很大，當(dāng)冷卻水管的間距為0.5 m時(shí)，承臺(tái)中心最高溫度為37.1℃，芯表最大溫差5.1℃；當(dāng)冷卻水管中心間距增加到1.5 m時(shí)，承臺(tái)中心最高溫度達(dá)68.4℃，芯表最大溫差上升到34.2℃。冷卻水管間距對(duì)承臺(tái)中心溫度及芯表溫差的影響趨勢(shì)基本一致，大致表現(xiàn)為二次拋物線的變化關(guān)系，如圖2所示。冷卻水管間距從0.5 m變化到1.0 m時(shí)，承臺(tái)中心溫度及最大芯表溫差上升較大；當(dāng)冷卻水管間距在1.0 m以上時(shí)，隨著水管間距的增大，承臺(tái)中心溫度及芯表溫差上升趨勢(shì)不斷減小，數(shù)值趨于收斂狀態(tài)。這說明1 m間距為降溫的有效限度，該位置芯表溫差基本在25℃左右，間距超過1 m后，冷卻水管就起不到有效作用。雖然間距越小，降溫效果越好，但是施工成本卻會(huì)增加。綜合考慮規(guī)范規(guī)定的芯表溫差不超過25℃和施工的經(jīng)濟(jì)性，工程中冷卻水管的布置間距按照1.0 m控制。

圖2 冷卻水管間距對(duì)溫度的影響曲線

根據(jù)冷卻水管的布置間距，計(jì)算承臺(tái)所需的冷卻水管長(zhǎng)度，得出冷卻水管布置長(zhǎng)度與承臺(tái)中心溫度及最大芯表溫差的關(guān)系曲線，如圖3所示。圖3中顯示承臺(tái)中心最高溫度及最大芯表溫差與冷卻水管的長(zhǎng)度基本呈反比例線性關(guān)系，即在冷卻水管布置合理的情況下，水管越長(zhǎng)，降溫效果越好。

圖3 冷卻水管長(zhǎng)度對(duì)溫度的影響曲線

3.4 冷卻水進(jìn)水溫度分析

本文按照冷卻水溫分別為10℃、15℃、20℃、25℃以及30℃對(duì)承臺(tái)芯部溫度和芯表溫差影響進(jìn)行分析，結(jié)果見圖4。承臺(tái)芯部最高溫度及最大芯表溫差與冷卻水管進(jìn)水溫度基本呈正比線性關(guān)系；但冷卻水溫的變化對(duì)承臺(tái)最高溫度及最大芯表溫差的影響相對(duì)較小，冷卻水進(jìn)水溫度從30℃降到10℃，承臺(tái)中心最高溫度從70.2℃降到65.9℃，最大芯表溫差從35.9℃下降到31.5℃，通過降低冷卻水溫度的途徑對(duì)降低混凝土內(nèi)部溫度效果不佳?？紤]到進(jìn)水溫度過低時(shí)冷卻水管壁與混凝土間存在較大的局部溫差，反而對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)不利，因此進(jìn)水溫度不宜過低，控制在與氣溫相近范圍即可。

圖4 進(jìn)水溫度對(duì)溫度的影響曲線

3.5 冷卻水流量及管徑分析

冷卻水水流狀態(tài)也會(huì)對(duì)混凝土溫度產(chǎn)生一定的影響，而水流狀態(tài)主要體現(xiàn)在水流速度及管徑兩方面。本文計(jì)算了管徑為4.5 cm時(shí)，水流量分別為0.5 m3/h、1.0 m3/h、1.2 m3/h、1.5 m3/h、2.0 m3/h 五種情況，以及水流量為1.5 m3/h時(shí)，管徑分別為3 cm、4.5 cm、6 cm、8 cm、10 cm 五種狀態(tài)下承臺(tái)溫度變化情況。計(jì)算結(jié)果顯示承臺(tái)中心溫度以及芯表溫差與冷卻水管水流量大致呈拋物線變化關(guān)系、與管徑基本呈線性變化關(guān)系(見圖5～圖6)，但變化值都較小，實(shí)際工程中可忽略兩者影響，按照正常管徑及流速控制即可。

圖5 水流量對(duì)溫度影響曲線

圖6 水管直徑對(duì)溫度影響曲線

3.6 模板對(duì)混凝土溫度影響分析

承臺(tái)側(cè)模主要有鋼模和木模兩種，兩種模板與空氣之間的對(duì)流系數(shù)差異很大，考慮2 m/s風(fēng)速的情況下，木模與空氣的對(duì)流系數(shù)取16.2 kJ/(m2·h·℃)，鋼模與空氣的對(duì)流系數(shù)取68.4 kJ/(m2·h·℃)[12]。

計(jì)算結(jié)果顯示，承臺(tái)側(cè)模采用何種模板對(duì)承臺(tái)中心溫度基本無影響，但對(duì)芯表溫差影響非常大，如圖7所示。當(dāng)采用木模時(shí)，側(cè)面最高溫度可達(dá)54.6℃，芯表溫差15.4℃，滿足規(guī)范要求；而采用鋼模時(shí)，側(cè)面最高溫度37.9℃，芯表溫差33.8℃，超過了規(guī)范規(guī)定。

圖7 模板對(duì)溫度影響時(shí)程曲線

4 方案驗(yàn)證

綜合以上分析，背景橋臺(tái)循環(huán)水管采用管徑φ4.5×1.5 cm鋼管，間距1 m，設(shè)置3層，每層單獨(dú)設(shè)置循環(huán)系統(tǒng)；混凝土外側(cè)使用木模板，頂面采取保溫措施，計(jì)算和實(shí)測(cè)芯表溫度見圖8。

從圖8可知，混凝土最高溫度、芯表溫差均控制在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)。

圖8 計(jì)算與實(shí)測(cè)溫度時(shí)程曲線對(duì)比

5 結(jié)論

(1)有限元法是計(jì)算承臺(tái)水化熱的有效途徑，當(dāng)相關(guān)計(jì)算參數(shù)合理確定后，計(jì)算精度基本滿足要求。

(2)冷卻水管間距和水管長(zhǎng)度對(duì)內(nèi)部溫度影響較大，水管間距越小、水管長(zhǎng)度越大，溫降效果越好?？紤]到施工經(jīng)濟(jì)性，水管間距最大不應(yīng)超過1 m。

(3)冷卻水流速、溫度以及管徑對(duì)承臺(tái)內(nèi)部溫度的影響相對(duì)較小，只要能滿足1.5 m3/h流量要求即可。

(4)模板雖然不影響混凝土芯部溫度，但是不同導(dǎo)熱系數(shù)的模板可以控制混凝土的芯表溫差和表層溫度降低速率，從而降低混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)，因此施工時(shí)應(yīng)采用導(dǎo)熱系數(shù)小的木模板或者在鋼模板外部采取保溫措施。