付興剛， 杜黎明， 王嘉豪

(1.重慶交通大學(xué)， 重慶 400074； 2.中鐵十二局集團(tuán)第四工程有限公司， 西安 710000)

大體積混凝土硬化過程中散熱困難，混凝土內(nèi)外溫差大，其溫度應(yīng)力差會進(jìn)一步引起混凝土開裂[1]，已有研究表明，合理布置冷卻水管與有效的施工管理措施能較好地降低混凝土內(nèi)部溫度及內(nèi)外溫差，進(jìn)一步降低溫度應(yīng)力差[2-9]。周禮庚[10]揭示了設(shè)置冷卻水管對大體積混凝土內(nèi)部溫度場的影響規(guī)律，為采用冷卻水管進(jìn)行大體積混凝土溫度控制提供了理論指導(dǎo)。其次，蔣科、Wilson、王高勝、馬良、涂建屏等[11-15]采用有限元方法對承臺內(nèi)部降溫過程進(jìn)行模擬，研究了大體積混凝土的溫度場及大體積混凝土裂縫成因，指出提前模擬水化熱的反應(yīng)過程，采取對應(yīng)措施，也能達(dá)到控制水化熱、預(yù)防病害的目的；李東等[16]對現(xiàn)有模型進(jìn)行了優(yōu)化，提出了與實(shí)測吻合良好的粉煤灰摻入和溫度影響的混凝土水化放熱模型；周引[17]總結(jié)的大體積混凝土溫度場、應(yīng)力場的基本理論及有限元計(jì)算方法，都可有效模擬大體積混凝土的施工過程。已有研究發(fā)現(xiàn)，不同的混凝土配合比對水化熱也有較大影響，于濤[18]計(jì)算了不同混凝土配合比方案的水化熱，得到了厚度為3 m的混凝土結(jié)構(gòu)最大內(nèi)外溫差，提出了對厚度不小于3 m的橋梁承臺需設(shè)置冷卻水布置系統(tǒng)。

綜上文獻(xiàn)分析，大體積混凝土溫度研究在計(jì)算方面已有大量研究，但針對具體工程，在不同邊界的實(shí)測數(shù)據(jù)分析方面文獻(xiàn)較少。本文結(jié)合實(shí)體工程，研究不同邊界下的大體積混凝土溫度變化規(guī)律及對應(yīng)措施。

1 工程概況

本橋?yàn)樘卮笮弯摴芑炷凉皹?，橋梁全長506 m，主拱330 m，拱座為大體積混凝土，橫橋向?qū)?9 m，南岸拱座分為9個(gè)單元，北岸拱座分為13個(gè)單元，采用分層澆筑，混凝土配合比為水泥∶砂∶碎石∶水∶聚羧酸減水劑=375∶729∶1 006∶165∶5，北岸拱座布設(shè)、澆筑順序及澆筑高度如圖1所示。本工程采用內(nèi)降外保的措施，冷管采用薄壁焊接鋼管，直徑57 mm，壁厚2.5 mm，豎向、橫向間距分別取1 m、1.5 m，距模板的最大距離小于1 m，第1層距混凝土澆筑面的距離為1 m，連續(xù)澆筑24 h，澆筑完畢后立即通冷水，由于施工條件限制，1 d后冷卻水?dāng)嚅_。溫度監(jiān)測從澆筑完成時(shí)開始測試。

單位：cm

1.1 測點(diǎn)布置

選取北岸拱座第⑧單元作為研究對象，其澆筑方量1 745.38 m3，澆筑高度3.63 m，左右2幅橫向澆筑長度都為14.5 m，測點(diǎn)布置分為上中下3層，且均為等間距布置，具體布置如圖2所示。

(a) 側(cè)立面布置

1.2 邊界劃分

⑧單元底部為已澆混凝土，臨空面及側(cè)面為模板，背靠巖層，頂層為自由面與空氣接觸，故將邊界分為空氣邊界、巖層邊界、混凝土邊界3類。⑧單元臨空面、頂面與空氣接觸，除背部與巖層接觸面處，劃分為空氣邊界，埋設(shè)1#、2#、3#、6#、9#、12#、15#、16#、17#、18#、19#、20#、21#傳感器；內(nèi)部為現(xiàn)澆混凝土，劃分為混凝土邊界，埋設(shè)4#、5#、7#、8#、10#、11#、13#、14#傳感器；混凝土背靠巖層，劃分為巖層邊界，埋設(shè)22#～30#傳感器。

2 數(shù)值仿真與實(shí)測分析

2.1 數(shù)值模擬

2.1.1 邊界條件

邊界條件采用大體積混凝土水化熱有限元計(jì)算中的第1、3、4類邊界條件。

1) 第1類邊界(固體表面溫度)

混凝土表面溫度為常量，如式(1)：

T(t)=T1(t)

(1)

式中：T(t)為固體表面溫度，取常量為15 ℃。

2) 第3類邊界(對流邊界)

現(xiàn)澆混凝土表面與空氣接觸時(shí)，混凝土表面與空氣熱量對流，模型中主要體現(xiàn)為在對界面取用對流系數(shù)，具體表達(dá)為式(2)：

(2)

式中：α為對流系數(shù)，有模板取13 kJ/(m·hr·T)、無模板取11.79 kJ/(m·hr·T)；T2為環(huán)境溫度，取10 ℃。

3) 第4類邊界(固體接觸邊界)

2種固體接觸熱量傳遞可采用式(3)計(jì)算：

T=T3

(3)

式中：γ1、γ2為混凝土與巖層導(dǎo)熱系數(shù)，取值見表1。

表1 參數(shù)取值

2.1.2 有限元建模

根據(jù)實(shí)際施工過程，取⑧單元、部分⑥單元與部分山體進(jìn)行建模，⑥單元混凝土底面、臨空面、側(cè)面與背面采用固體接觸邊界，表面采用對流邊界；⑧單元臨空面、側(cè)面采用有模板對流邊界，頂層自由面采用無模板對流邊界；山體背面、側(cè)面與表面采用固體接觸邊界，臨空面采用對流邊界。環(huán)境溫度取10 ℃。根據(jù)表1參數(shù)取值，建立有限元模型，如圖3所示。

圖3 有限元模型

2.1.3 有限元模擬結(jié)果分析

對3種不同邊界，取中間層不同邊界處實(shí)測溫度與模擬結(jié)果進(jìn)行對比，分別取8#與14#(混凝土邊界)、20#(空氣邊界)、29#(巖層邊界)4個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行對比，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，實(shí)測與模擬結(jié)果誤差在6 ℃以內(nèi)，擬合較好。

(a) 8#測點(diǎn)

2.2 溫度實(shí)測結(jié)果

2.2.1 底層實(shí)測結(jié)果

各測點(diǎn)底層溫度變化規(guī)律如圖5所示。在1#、16#、19#空氣邊界處，最高溫度分別為39.87 ℃、47.31 ℃、40 ℃。1#、16#水化熱在齡期108 h、19#在齡期251 h時(shí)恢復(fù)常溫?；炷吝吔缏裨O(shè)4#、7#、10#、13#傳感器，最高溫度45 ℃左右，平均極速升溫速率都在0.75 ℃/h左右；隨后進(jìn)行緩慢升溫，升溫速率為0.05 ℃/h左右，最終峰值溫度在55 ℃左右，4處位置的溫度變化一致，都為極速升溫后再緩慢上升。在巖層邊界22#、25#、28#傳感器埋設(shè)處，3處溫度變化規(guī)律與底層混凝土邊界相似，在1/4巖層處出現(xiàn)極速升溫后緩慢升溫狀態(tài)。3處(極速升溫)溫度峰值一致，44 ℃左右，分別為44.18 ℃、43.5 ℃、43.81 ℃，峰值都在齡期29.1 h時(shí)取得。

圖5 底層實(shí)測結(jié)果

2.2.2 中間層實(shí)測結(jié)果

中間層溫度實(shí)測結(jié)果如圖6所示。在空氣邊界處2#、17#、20#位置的最高溫度依次為43.43 ℃、51.62 ℃、52.18 ℃。2#、17#位置在齡期18.8 h達(dá)到最高溫度，20#在29 h達(dá)到峰值溫度?；炷梁诵牟课宦裨O(shè)5#、8#、11#、14#傳感器，溫度變化分為3個(gè)階段：極速升溫、緩慢升溫、緩慢降溫，在齡期88.7 h時(shí)達(dá)到峰值溫度67.50 ℃，極速升溫速率1.21 ℃/h～1.33 ℃/h，平均升溫速率0.51 ℃/h左右；隨后出現(xiàn)緩慢降溫。23#、26#、29#傳感器位置為中間層的巖層邊界，溫度峰值分別為64.12 ℃、61.50 ℃、55.75 ℃。23#、29#在齡期58.43 h、26#在齡期36 h時(shí)取得峰值溫度，極速升溫再緩慢降溫。

圖6 中間層實(shí)測結(jié)果

2.2.3 頂層實(shí)測結(jié)果

頂層3#、6#、9#、12#、15#、18#、21#位置外界均為空氣，溫度變化規(guī)律如7所示。在3#、18#、21#處溫度變化規(guī)律與底層對應(yīng)位置基本一致，在齡期13.68 h左右達(dá)到峰值溫度，分別為39.43 ℃、55.62 ℃、41.87 ℃。9#、6#、12#、15#越靠近核心混凝土處峰值溫度越高，平均升溫速率越高，溫度峰值分別為32.06 ℃、35.81 ℃、41.12 ℃、48 ℃；升溫速率分別為0.44 ℃/h、0.57 ℃/h、0.64 ℃/h、0.74 ℃/h；降溫速率基本一致，為0.07 ℃/h左右。巖層邊界為24#、27#、30#傳感器埋設(shè)處，在齡期16.93 h時(shí)達(dá)到最高溫度，分別為56.18 ℃、51.68 ℃、42.37 ℃，平均升溫速率依次為2.12 ℃/h、1.69 ℃/h、1.23 ℃/h，平均降溫速率分別為0.17 ℃/h、0.13 ℃/h、0.08 ℃/h。

圖7 頂層實(shí)測結(jié)果

2.2.4 邊界條件對水化熱的影響分析

底層在不同邊界下最高溫度都在混凝土齡期29.1 h時(shí)取得，峰值(混凝土邊界急速升溫)溫度相近，在43 ℃左右，混凝土邊界處溫度變化為在急速升溫后緩慢升溫，在混凝土底部中心混凝土位置處需要嚴(yán)格控制冷卻水的通水流量及時(shí)間。中間層混凝土在不同邊界處溫度變化不同，最高溫度：空氣邊界<巖層邊界<核心混凝土；空氣邊界為急速升溫后急速降溫，混凝土邊界與巖層邊界為急速升溫后緩慢降溫。頂層空氣邊界側(cè)邊在13.68 h達(dá)到峰值，表面在30.17 h達(dá)到峰值，巖層邊界接觸面積增長，最高溫度降低，平均升溫速率也變慢，后期曲線趨于平緩，邊界的不同對降溫速率影響不大。

3 結(jié)論

1) 數(shù)值模擬與實(shí)測結(jié)果擬合較好，最高溫度誤差在6 ℃內(nèi)，所使用的各類參數(shù)可應(yīng)用于類似工程。根據(jù)核心混凝土邊界實(shí)測數(shù)據(jù)分析及有限元擬合顯示，在水化熱反應(yīng)階段，混凝土表面對流系數(shù)對混凝土核心區(qū)域溫度影響不大。

2) 在水化熱控制整個(gè)過程中,邊界條件對底層前期升溫階段及頂層后期降溫階段影響不大。底層降溫階段、頂層升溫階段、中間層全過程，邊界條件對水化熱的影響不可忽略。

3) 混凝土各部位溫度在不同邊界處前期升溫階段差距不大，內(nèi)外溫差主要由后期不同邊界處的不同升溫時(shí)間或混凝土邊界升溫、空氣邊界降溫這2種因素造成。澆筑完成后，底層29.1 h、中間層18.8 h之后嚴(yán)格控制循環(huán)水，頂層13.68 h之后應(yīng)增加保溫措施。