大體積混凝土承合水化熱及溫控措施研究

1、大俸積琨凝土承合水了匕熱及溫控措袍研究張靜（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司北京蚴）橋涵工程摘要為了確保大沙溝特大橋的大體積混凝土承臺(tái)冬季施工達(dá)到施工要求，采用有限元程序訪按照一次澆筑施工、冷卻管布置、水流情況及各種不同邊界情況進(jìn)行水化熱溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力數(shù)值分析，并對(duì)影響水化熱的內(nèi)外部因素進(jìn)行了優(yōu)化分析。采用優(yōu)化后的數(shù)據(jù)，承臺(tái)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論值吻合較好，承臺(tái)混凝土水化熱產(chǎn)生的溫度梯度扣應(yīng)力都較，、，最大溫差在規(guī)范要求范圍之內(nèi)，保證了承臺(tái)的施工質(zhì)量。關(guān)鍵詞橋梁工程大體積混凝土承臺(tái)水化熱溫度控制溫度應(yīng)力中圖分類號(hào)；文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼文章編號(hào)（）一豫廿朗咖輒鶴眥弛（丑鋤媧驢璐刪，）出撤叩盼舾（他，帥蚰弘功確詁

2、印髓坷朗妯鼬印咖，粕出薯如岫帥，船岫謝，柚山叩舾“町如髓小船眥函一丘訪山，嗣璐蚰的謝曬蚰鋤陽(yáng)印口¨舀；眵；陽(yáng)恤；引言大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋、連續(xù)剛構(gòu)橋，尤其是跨越險(xiǎn)峻溝谷的橋梁，得到了廣泛的應(yīng)用。但連續(xù)剛構(gòu)橋的箱梁和承臺(tái)都屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，在澆筑和硬化過(guò)程中，由于混凝土的熱傳導(dǎo)性能很差，使得混凝土產(chǎn)生不均勻溫度變形和應(yīng)力，一旦拉應(yīng)力超過(guò)混凝土即時(shí)抗拉強(qiáng)度，混凝土就會(huì)產(chǎn)生裂縫。這不僅影響結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和美觀，還影響結(jié)構(gòu)的承載力和耐久性。因此對(duì)諸于類似箱梁和承臺(tái)這些大體積混凝土結(jié)構(gòu)的溫度問(wèn)題已經(jīng)收稿日期：一引起人們的重視。而且相關(guān)規(guī)范均對(duì)大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中的溫度控制和溫度監(jiān)測(cè)

3、做出了規(guī)定。文獻(xiàn)中全面闡述了大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)、溫度應(yīng)力的計(jì)算方法和控制溫度防止裂縫的工程措施。侯景鵬等舊研究指出溫度監(jiān)測(cè)不是目的而只是一種手段，根據(jù)監(jiān)測(cè)了解混凝土溫度場(chǎng)分布變化情況，采取或者調(diào)整合理而有效的溫度控制措施，才是防止溫度裂縫的關(guān)鍵。下面結(jié)合大沙溝預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)特大橋冬季施工對(duì)其大體積混凝士承臺(tái)的溫度控制，及溫度應(yīng)力從材料、施工、冷卻管的布置、管徑大小以及流速等方面進(jìn)行優(yōu)化分析研究，提出了該承臺(tái)冬季施工有效的溫控措施。鐵道建筑技術(shù)冠紀(jì)瞅功心硎，琵懶，橋涵工程有限元計(jì)算原理結(jié)構(gòu)水化熱溫度場(chǎng)分析屬于瞬態(tài)分析，溫度應(yīng)力分析則是根據(jù)溫度場(chǎng)分析得到的溫度值作為荷載施加到結(jié)構(gòu)上進(jìn)行求

4、解。水化熱溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力的求解是一個(gè)半耦合過(guò)程，需分兩個(gè)過(guò)程求解。在區(qū)域尺內(nèi)，混凝土在水泥水化熱的作用下，按照熱量平衡的原理，其熱傳導(dǎo)方程可以表示如下：（窘霧磐）吉（籌一等）（，）（）對(duì)于不穩(wěn)定溫度場(chǎng)的熱傳導(dǎo)問(wèn)題，可以等價(jià)于下列泛函極值問(wèn)題：溫度（，?。┰诙r(shí)取給定的初始溫度瓦（，），在第一類邊界上取給定的邊界溫度咒，并使下列泛函取極小值：，）珂÷（警）（等）（誓）一吉（籌一等）?。┮悦钊缑罂垡宦曋浠箍锶齺兠锝荡箍镅┢鏀?shù)層冷卻管平面布置偶數(shù)層冷卻管平面布置圖冷卻管布置示意（單位：）圖有限元模型及冷卻管的布置（）優(yōu)化設(shè)計(jì)式中，為溫度；丁為時(shí)間；口為絕熱溫升；盧為冷卻管布置放棼系罄

5、；，望三銎系數(shù)；為導(dǎo)溫系數(shù)；為氣溫；根據(jù)文獻(xiàn)研究表明，影響混凝土絕熱溫升瓦為已知邊界溫度。的因素：水泥用量、水泥品種、混合材料品種、用量溫度控制優(yōu)化設(shè)計(jì)和澆筑溫度。而冷卻管的布置對(duì)混凝土的降溫及工程背景其應(yīng)力影響也較大，這里首先對(duì)冷卻管布置的層數(shù)大沙溝預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)特大橋承臺(tái)基以及水泥種類進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)澆筑混凝土后的礎(chǔ)長(zhǎng)，寬，高。為了能描述承進(jìn)行了水化熱分析，其中管冷作用于前臺(tái)混凝土在澆筑時(shí)，其熱量傳遞給地基的情況，在（），流人溫度，流量，冷卻管內(nèi)徑分析時(shí)，將地基模擬為具有一定比熱和熱傳導(dǎo)率的，環(huán)境溫度為。結(jié)構(gòu)，地基尺寸長(zhǎng)，寬，高。應(yīng)施工工限于篇幅，僅歹出在單位體積水泥用量，期的要求，

6、高承臺(tái)需一次澆筑。應(yīng)業(yè)主和施工采用摻加粉煤灰水泥（摻加混合材料對(duì)混凝土單位要求，在節(jié)約工程造價(jià)的前提下，對(duì)澆筑的承絕熱溫升有重要影響，而且摻加粉煤灰的降熱效果臺(tái)從冷卻管的布置、管徑、水流流速以及水泥種類優(yōu)于摻加礦渣的）的情況下，冷卻管分別布置層等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證承臺(tái)澆筑質(zhì)量。冷卻管和層兩種情況的分析結(jié)果。初步按層布置，層間距，水平間距，（）由于早期混凝土彈性模量比較小，松弛系數(shù)具體布置如圖所示。也比較小，其應(yīng)力數(shù)值不大。但在后期降溫階段，混有限元模型凝土彈性模量逐漸增大，松弛系數(shù)也較大，隨著承臺(tái)由于結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，所以分析時(shí)只取結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度的降低，在承臺(tái)表面將產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。進(jìn)行建模和分

7、析。運(yùn)用大型有限元結(jié)構(gòu)分析軟件（）混凝土采用摻加的粉煤灰水泥，布置建模，單元采用實(shí)體單元。模型共有節(jié)點(diǎn)層冷卻管，在澆筑后，混凝土表面拉應(yīng)力超個(gè)，單元個(gè)。有限元模型如圖所示。限，開始出現(xiàn)裂縫。易道建麓技術(shù)閂丁開丁丁橋涵工程（）混凝土采用摻加的粉煤灰水泥，布置層冷卻管，混凝土表面則不會(huì)出現(xiàn)裂縫。冷卻管流速及管徑基于上述研究結(jié)果，下面主要對(duì)冷卻管的流量以及管徑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。譴蠅時(shí)間圖不同流量下混凝土溫度隨時(shí)間變化的曲線蠢嘎圖不同管徑混凝土溫度隨時(shí)間變化的曲線從圖得出以下結(jié)論：（）關(guān)于最大溫差不超過(guò)的規(guī)定，文獻(xiàn)認(rèn)為該限定過(guò)于絕對(duì)和嚴(yán)格。一些工程監(jiān)測(cè)溫差超過(guò)該限值卻未出現(xiàn)溫度裂縫問(wèn)題。水流流量為時(shí)，雖然

8、最大溫差超過(guò)，但是應(yīng)力接近應(yīng)力限值。委員會(huì)建議溫差限值應(yīng)該是和混凝土齡期、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、熱膨脹系數(shù)、構(gòu)件約束程度等因素相關(guān)的函數(shù)，并給出具體公式。文獻(xiàn)建議溫度梯度。本文有限元分析時(shí)，控制混凝土溫度梯度。（）冷卻管內(nèi)水流的流量在和之間的變化，從圖看出，水流流量對(duì)混凝土溫度的影響較小。但水流流量在時(shí)，最大溫差略超過(guò)規(guī)范的規(guī)定，水流流量在時(shí)，最大溫差滿足規(guī)范不超過(guò)的規(guī)定。因此，要求冷卻管內(nèi)水流的流量不能低于。（）冷卻管內(nèi)徑從一之間變化時(shí)，內(nèi)徑為時(shí)，最大溫差超過(guò)的規(guī)定，內(nèi)徑為和時(shí)，均滿足規(guī)范要求。因此，從降低工程造價(jià)方面，冷卻管內(nèi)徑采用。溫控措施根據(jù)上述分析結(jié)果，在滿足規(guī)范要求的前提下，提出了該

9、承臺(tái)大體積混凝土冬季施工過(guò)程中采取以下溫控措施：（）混凝土澆筑溫度控制在為宜；（）澆筑承臺(tái)混凝土?xí)r，環(huán)境溫度不能低于；（）冷卻管注水時(shí)間不能低于；（）冷卻管內(nèi)徑不宜低于；（）冷卻管布置層為宜，層間距，水平間距。實(shí)測(cè)情況分析實(shí)測(cè)概況根據(jù)提出的溫控措施，施工方在承臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)搭設(shè)塑棚，以保持棚內(nèi)溫度，最低溫度不低于，布設(shè)層循環(huán)冷卻水管，層間距，蛇形水平間距，管外徑，壁厚。該承臺(tái)澆筑時(shí)間吆：。測(cè)試元件布置溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置以能真實(shí)反映混凝土的內(nèi)外溫差、降溫速度及環(huán)境溫度為原則。根據(jù)該承臺(tái)的對(duì)稱性，在承臺(tái)內(nèi)布置層測(cè)點(diǎn)，埋設(shè)位置及編號(hào)如圖所示，共計(jì)個(gè)測(cè)點(diǎn)。！塑：§鐵道建筑技術(shù)閂丁只丁丁測(cè)溫度立面布置測(cè)

10、溫點(diǎn)平面布置圖測(cè)溫點(diǎn)布置示意（單位：）橋涵工程測(cè)試方法水化熱監(jiān)測(cè)時(shí)間是從混凝土澆筑開始至澆筑完成后，在此期間根據(jù)混凝土的溫度觀測(cè)值采取不同的測(cè)試頻率。由于大部分水化熱是在混凝土澆筑后內(nèi)釋放的，故在此段時(shí)間內(nèi)每進(jìn)行一次溫度測(cè)試；待混凝土溫度上升到最大值后，將監(jiān)測(cè)周期改為每一次；等混凝土溫度下降均勻后，將監(jiān)測(cè)周期變更為每一次。實(shí)測(cè)結(jié)果（）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制承臺(tái)邊角和承臺(tái)中心測(cè)點(diǎn)的溫度變化曲線（見(jiàn)圖）。從圖中可以看出，混凝土澆筑完后，水化熱溫度迅速升高，在砼澆筑完后達(dá)到最高，最高溫度為，出現(xiàn)在混凝土澆筑完的測(cè)點(diǎn)位置。越靠近混凝土中心，溫度越高。而且前以前混凝土內(nèi)部溫度比較穩(wěn)定，相應(yīng)溫度曲線比較平滑

11、。遺蠅時(shí)間圖承臺(tái)中心和邊角測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線線出現(xiàn)波折，這因?yàn)橛?jì)算模型沒(méi)有考慮后澆筑混凝土對(duì)先澆筑混凝土的影響。這主要由于計(jì)算模型不能完全模擬承臺(tái)實(shí)際所處的環(huán)境及水流的溫度，混凝土材料的組成成分與理論有所差別。從實(shí)測(cè)記錄報(bào)告看出，以后承臺(tái)環(huán)境溫度已低于（平均溫度），并且承臺(tái)處于冬季，使得后期混凝土實(shí)測(cè)值溫度降低速度比計(jì)算值稍快一些。，囊害辜患謄案爰盔囂、八一蠅：卜一一卜擴(kuò)妒護(hù)蒔蔚葡拶時(shí)間圖承臺(tái)中心進(jìn)出水溫度變化曲線譴喟一時(shí)問(wèn)圖承臺(tái)中心各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)與計(jì)算值分析（）承臺(tái)邊角的測(cè)點(diǎn)溫度曲線（見(jiàn)圖）受到環(huán)境錨術(shù)頃和散熱邊界的影響，曲線出現(xiàn)波折。由于混凝土間溫大沙溝特大橋的大體積混凝土承臺(tái)施工方采用度的傳遞

12、慢于混凝土與空氣間的傳遞，因此承臺(tái)中心本文提出的溫控措施，承臺(tái)混凝土內(nèi)部溫度實(shí)測(cè)值與溫度高于承臺(tái)邊角的溫度，比承臺(tái)邊角較平緩一些，計(jì)算值吻合較好，拆模后表面質(zhì)量良好，無(wú)裂縫產(chǎn)生，承臺(tái)邊角的測(cè)點(diǎn)溫度下降較快一些。實(shí)測(cè)溫度曲線說(shuō)明了溫控措施的有效性，可為類似工程提供參考。還反映了后澆筑混凝土對(duì)先澆筑混凝土的影響。參考文獻(xiàn)三堡孽實(shí)翼迥擘號(hào)薏，人要翌烹烹翼乎望朱伯芳大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制北，最低，最高。因此對(duì)混凝土人模。親；旨毛另量聶，；：一：。一溫度控制起到了良好的效果。侯景鵬，熊杰，袁勇大體積混凝土溫度控制及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)（）根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖），冷卻管內(nèi)水流的測(cè)混凝土，（）：流量，循環(huán)冷水的進(jìn)水溫度，出水