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(長沙宏宇建筑工程檢測有限公司, 湖南 長沙 410100)

對橋梁大體積砼箱梁及承臺的各截面進(jìn)行施工水化熱分析有助于了解大體積箱梁的溫度及應(yīng)力分布。影響大體積砼施工的因素較多，如砼材料、外界氣溫、大體積砼體形參數(shù)、冷卻水管布設(shè)等，各因素對大體積砼內(nèi)部溫度分布的影響程度各不相同，即存在一個合適的參數(shù)值能確保大體積砼達(dá)到較合適的溫度場及應(yīng)力值。大體積砼施工中很難對所有影響參數(shù)的差異進(jìn)行試驗分析，采用MIDAS/Civil有限元分析軟件建立大體積砼水化熱模型可為砼參數(shù)差異化影響程度分析提供方便。張成平基于某橋梁工程，采取有限元法對冷卻管的降溫效果和溫度、應(yīng)力場變化進(jìn)行研究和實時監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)使用冷卻管后，砼沒有產(chǎn)生較明顯溫差，表明冷卻管的降溫作用較好。楊慧等采用MIDAS/Civil軟件模擬大體積砼承臺的水化熱溫度場，對砼內(nèi)外溫差及水化熱溫度場等變化規(guī)律進(jìn)行研究，提出了原材料預(yù)冷、優(yōu)化澆筑順序、配合比優(yōu)化設(shè)計、預(yù)埋水管冷卻等大體積砼溫度控制措施。目前在大體積砼施工方面形成了較完善的施工控制方法和理論基礎(chǔ)，但還存在諸多需更深入研究的問題，如對大體積砼施工細(xì)節(jié)缺乏標(biāo)準(zhǔn)、施工中溫控數(shù)據(jù)多以人工采集為主、對大體積砼內(nèi)部溫度的不穩(wěn)定性和不均勻性缺乏考慮等。該文采用MIDAS/Civil軟件建立外砂河大橋砼箱梁有限元模型，對大體積砼受外界溫度或降溫方式影響的溫度場變化進(jìn)行分析。

1 工程概況

外砂河大橋主橋為三跨梁拱組合橋，跨度為(61+108+61) m。主墩0#塊采用C55砼，寬44.5 m，長13 m，高6.5 m，砼總量2 369 m3，其中中橫梁長4 m、高6.5 m、寬44.5 m，最大腹板寬10.596 m、高6.5 m、長4 m(見圖1)。根據(jù)施工計劃，主墩0#塊在6—8月一次澆筑。澆筑時氣溫高，砼體積大、標(biāo)號高，必須研究砼裂縫控制技術(shù)，確保砼質(zhì)量。

圖1 0#塊斷面圖(單位：cm)

2 有限元模型建立

采用MIDAS/Civil軟件建立0#塊水化熱模型，模型參數(shù)取值見表1。

模型共6 380個節(jié)點、27 298個單元，采用六面體實體單元(八節(jié)點)。采用MIDAS/FEA軟件進(jìn)行建模及網(wǎng)格劃分(見圖2)，再導(dǎo)入MIDAS/Civil軟件中，運用擴展單元功能將其擴展為實體單元。因0#塊施工時會與墩臺臨時固結(jié)，約束0#塊底部所有節(jié)點；考慮到實體單元沒有扭轉(zhuǎn)自由度，只約束所有節(jié)點的平移自由度；正對稱面上加X方向平移約束，側(cè)對稱面上加Y方向平移約束。

圖2 主梁0#塊分析模型網(wǎng)格劃分

為分析方便，作如下假定：1) 砼為均質(zhì)、各向同性材料，砼結(jié)構(gòu)在溫度荷載下處于彈性范圍；2) 各分析點的砼同時完成澆筑，水化熱升溫同時進(jìn)行；3) 不考慮砼分層等過程對砼溫度場的影響；4) 不考慮砼結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋對砼的阻裂影響。

3 0#塊水化熱分析

3.1 分析工況

設(shè)置5種工況，分別為工況1(20 ℃，為基礎(chǔ)分析工況)、工況2(5 ℃)、工況3(10 ℃)、工況4(15 ℃)、工況5(25 ℃)，分析0#塊在不同進(jìn)水管溫度下的溫度場及應(yīng)力場。同時分析工況4(15 ℃)下0#塊在0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.5、2.0 m2/s導(dǎo)溫系數(shù)(根據(jù)正規(guī)狀況法測試結(jié)果及相關(guān)文獻(xiàn)確定)下砼齡期與水化熱之間的關(guān)系，確定大體積砼導(dǎo)溫系數(shù)的取值。

3.2 水化熱計算結(jié)果與分析

3.2.1 基礎(chǔ)分析工況下水化熱分析

根據(jù)工程經(jīng)驗，溫度峰值一般出現(xiàn)在2～4 d，且持續(xù)1 d左右，之后開始降溫，一般控制降溫速率為1.0～2.0 ℃/d。該橋0#塊14 h時砼溫度場分布見圖3，圖4為各階段應(yīng)力場分析結(jié)果。

圖3 工況1下0#塊14 h溫度云圖(單位：℃)

圖4 工況1下0#塊應(yīng)力分布

由圖3可知：0#塊中心位置節(jié)點的溫度在前期較高，14 h后達(dá)到最高值；澆筑后最高溫度為69.82 ℃，最大溫差30.15 ℃，超過規(guī)范要求的砼最大內(nèi)表溫差5.15 ℃；72 h后0#塊整體溫度趨于穩(wěn)定。

由圖4可知:1 000 h后0#塊砼最大拉應(yīng)力為2.18 MPa，小于容許張拉應(yīng)力，0#塊不會開裂。

3.2.2 其他工況下水化熱分析

不同進(jìn)水管溫度下0#塊砼溫度及應(yīng)力計算結(jié)果見表2。

由表2可知： 1) 0#塊砼溫度最大值出現(xiàn)時間(澆筑后)、整體溫度趨于穩(wěn)定的時間、1000h后最大拉應(yīng)力受進(jìn)水管溫度變化影響較小。2) 不同進(jìn)水管溫度下最高溫度及最大溫差受進(jìn)水管溫度影響較大，隨著進(jìn)水管溫度的增大，砼最高溫度增大，進(jìn)水管溫度達(dá)到20 ℃后最高溫度增加值最大；最大溫差與進(jìn)水管溫度并非成正相關(guān)關(guān)系，進(jìn)水管溫度為15 ℃時，最大溫差為22.7 ℃，其他溫度下最大溫差均大于25 ℃，大于規(guī)范要求(砼最大內(nèi)表溫差≤25 ℃)。進(jìn)水管溫度越低或越高不可取，會導(dǎo)致砼內(nèi)外溫差過大。該項目取15 ℃為進(jìn)水管溫度。

表2 不同進(jìn)水管溫度下0#塊砼有限元計算結(jié)果

3.2.3 不同導(dǎo)溫系數(shù)下水化熱分析

不同水化熱速率與砼齡期的關(guān)系見圖5，不同導(dǎo)溫系數(shù)下0#塊溫度峰值見表3。

圖5 不同導(dǎo)溫系數(shù)下水化熱速率與齡期的關(guān)系

表3 不同導(dǎo)溫系數(shù)下溫度峰值

由圖5可知：導(dǎo)溫系數(shù)越大，齡期為0～1 d時水化熱速率下降越快，但后期水化熱速率越小。導(dǎo)溫系數(shù)為2 m2/s時，對應(yīng)水化熱速率為零的齡期為3 d，與實際情況不相符。實際工程中大體積砼的降溫階段比升溫階段更緩慢。

由表3可知：導(dǎo)溫系數(shù)不同，砼溫度峰值不同，隨著導(dǎo)溫系數(shù)的增大，溫度峰值增大，與實際溫度峰值相比，導(dǎo)溫系數(shù)為1 m2/s時對應(yīng)的溫度峰值有限元計算值與實測值更接近。因此，后續(xù)計算時導(dǎo)溫系數(shù)取1 m2/s。

4 現(xiàn)場降溫方案及降溫效果分析

主梁0#塊溫度測點分為5層布設(shè)(見圖6)，共布設(shè)溫度傳感器135個。各層砼溫度監(jiān)測結(jié)果見圖7～9。

圖6 0#塊主梁溫度測點平面布置

由圖7可知：在砼澆筑初期，溫度上升較快，在20 h附近達(dá)到最高溫度47.5 ℃，隨后經(jīng)歷一個緩慢的降溫過程。由于測點埋置在頂板處，距離外界環(huán)境較近，同時頂板厚度較小，熱量更易散發(fā)出去。砼澆筑100 h后，頂板溫度逐漸降至外界大氣溫度20 ℃附近。

圖7 頂板處1-1測點的溫度變化

由圖8可知：經(jīng)歷22 h后，測點達(dá)到最高溫度67.4 ℃；時長達(dá)到210 h時，出現(xiàn)較明顯的二次升溫現(xiàn)象，這主要是因為在第2層砼澆筑時，傳遞出的一部分熱量被上一層所吸收，導(dǎo)致溫度升高；最后砼測點溫度與大氣溫度保持同步。

圖8 橫隔板處1-3測點的溫度變化

由圖9可知：在23 h附近達(dá)到最高溫度69.7 ℃，隨后逐步降溫，直至與大氣溫度相符。模板材質(zhì)對達(dá)到最高溫度的時間節(jié)點有一定影響，鋼模保溫效果比木模差。該項目采用鋼模，砼水化熱達(dá)到溫度最高的時間節(jié)點并沒有延緩。

圖9 底板1-5測點的溫度變化

隨著水化熱的釋放，砼結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)幾個階段的溫度變化過程：砼澆筑初期，水化熱作用急劇，砼結(jié)構(gòu)溫度在短時間上升很快，產(chǎn)生的熱量遠(yuǎn)大于散發(fā)的熱量，這個過程直至砼溫度達(dá)到最大值。砼最高溫度持續(xù)時間受砼自身及外界環(huán)境因素的影響，該項目的持續(xù)時間為10 h左右，持續(xù)水化產(chǎn)熱與散熱基本相當(dāng)。隨著水化時間的增大，水化產(chǎn)熱量逐漸變小，越來越小于散熱量，溫度緩慢降低，直至砼溫度趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定溫度與大氣溫度平衡。

砼水化熱初期，箱梁內(nèi)外表面溫差大，存在溫度梯度，橫隔板與頂?shù)装濉⒏拱褰粎R處溫度梯度更大，最高溫度為75.1 ℃，最大溫差超過25 ℃，必須采取有效養(yǎng)護(hù)措施，同時控制拆模時間。尤其是冬季低溫下拆模，可能導(dǎo)致砼表面出現(xiàn)裂縫，同時箱梁結(jié)構(gòu)溫度峰值出現(xiàn)在18～35 h，出現(xiàn)時間較早，此時砼彈性模量和強度均較小，在防止砼過早受力的同時，還要做好養(yǎng)護(hù)保溫措施，防止天氣突變帶來的惡劣影響。

5 結(jié)語

(1) 0#塊砼溫度最大值出現(xiàn)時間(澆筑后)、整體溫度趨于穩(wěn)定的時間、1 000 h后砼最大拉應(yīng)力受進(jìn)水管溫度影響較小。隨著導(dǎo)溫系數(shù)的增大，溫度峰值增大，但與實際溫度峰值對比，導(dǎo)溫系數(shù)為1 m2/s時對應(yīng)的溫度峰值有限元計算值與實測值更接近，計算時導(dǎo)溫系數(shù)取1 m2/s。

(2) 不同進(jìn)水管溫度下最高溫度及最大溫差受進(jìn)水管溫度影響較大，隨著進(jìn)水管溫度增大，砼最高溫度增大，進(jìn)水管溫度達(dá)到20 ℃后最高溫度增加值最大；最大溫差與進(jìn)水管溫度并非成正相關(guān)關(guān)系，進(jìn)水管溫度為15 ℃時，最大溫差為22.7 ℃，其他溫度下最大溫差均大于25 ℃，大于規(guī)范要求(砼最大內(nèi)表溫差≤25 ℃)。進(jìn)水管溫度越低或越高不可取，會導(dǎo)致砼內(nèi)外溫差過大。該項目取15 ℃為進(jìn)水管溫度。

(3) 從砼內(nèi)部最高溫度、內(nèi)部最低溫度、內(nèi)部最大溫差、斷面降溫速率來看，實測數(shù)據(jù)與調(diào)整水化熱參數(shù)下數(shù)據(jù)的誤差在允許范圍內(nèi)，擬合結(jié)果較好。