三水三橋主墩大體積混凝土承臺(tái)溫控仿真研究

洪貴權(quán)

(佛山市建盈發(fā)展有限公司，廣東 佛山528000)

1 工程概況與氣象條件

三水三橋主橋設(shè)計(jì)全長(zhǎng)518 m，跨徑布置為(52+56+72+338)m，雙向八車道，橋面全寬45 m，其中主跨跨越東平水道，設(shè)計(jì)采用混合梁獨(dú)塔斜拉橋(鋼箱梁+混凝土梁)(如圖1所示)，主塔高168 m，主跨鋼混結(jié)合面距主塔中心線11.5 m，箱梁截面采用整體式單箱三室。

圖1 主橋橋型立面圖(單位：cm)

33#主墩承臺(tái)采用整體式，高6 m，平面尺寸為56 m×27 m(橫×順)，橫橋向設(shè)橢圓端(長(zhǎng)軸半徑13.5 m，短軸半徑5.5 m)，承臺(tái)設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，方量8689.6 m3，鑒于主墩承臺(tái)混凝土澆筑方量大，施工方案擬分兩次澆筑完成，單次澆筑方量約4345 m3。

橋址位于廣東省佛山市三水區(qū)，地處亞熱帶地區(qū)，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候濕潤(rùn)，雨量充沛，日照時(shí)間長(zhǎng)，年平均氣溫21.4～21.9℃，最冷1月平均氣溫為12.9～13.5℃，極端最低氣溫為-2.6℃，最熱7月平均氣溫28.4～28.7℃，極端最高氣溫達(dá)38.7℃。年平均降雨量2200 mm，常規(guī)平均降雨量為1620～1650 mm，降雨天數(shù)為140～150 d，雨水集中在4～9月。冬季冷風(fēng)南下，常形成5～7 級(jí)偏北風(fēng)，最大風(fēng)力出現(xiàn)在夏、秋臺(tái)風(fēng)季節(jié)，風(fēng)力一般在7級(jí)左右，本區(qū)域受臺(tái)風(fēng)影響較大，最大風(fēng)速達(dá)34 m/s，臺(tái)風(fēng)常伴隨大雨或暴雨，臺(tái)風(fēng)降雨量一般在200 mm，最大達(dá)400～500 mm，三水區(qū)往年月平均溫度如圖2所示，本工程區(qū)域基本不涉及冬季施工。

圖2 三水區(qū)往年月平均溫度圖

2 溫度與應(yīng)力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及控裂重難點(diǎn)

2.1 溫度與應(yīng)力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

大體積混凝土的溫度評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有入模溫度、內(nèi)部最高溫度、內(nèi)表溫差，依據(jù)有關(guān)規(guī)定[1-2]，本工程要求控制值范圍：①10℃≤入模溫度≤28℃；②混凝土內(nèi)部最高溫度≤75℃；③混凝土最大內(nèi)表溫差≤25℃。

本工程將混凝土溫度應(yīng)力仿真計(jì)算值與容許應(yīng)力參考值進(jìn)行比較分析，以溫度應(yīng)力仿真計(jì)算值不小于容許應(yīng)力參考值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮應(yīng)力值富余量對(duì)構(gòu)件安全性的影響。將混凝土抗拉強(qiáng)度參考值設(shè)為容許應(yīng)力，并修正確定C40混凝土特定齡期容許應(yīng)力參考值：3d/2.16MPa、7d/2.67MPa、28d/3.20MPa、180d/3.30MPa。

2.2 控裂重難點(diǎn)

(1)33#主墩承臺(tái)單次最大澆筑方量約4345 m3，C40混凝土為較高強(qiáng)度等級(jí)，混凝土絕熱溫升高，混凝土溫升控制不妥時(shí)，易因內(nèi)表溫差產(chǎn)生較大溫度應(yīng)力而致使開裂[3]。

(2)橋址所在地氣溫較高、日曬時(shí)間長(zhǎng)，澆筑量大、分層澆筑間隔時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，會(huì)因?qū)娱g水分蒸發(fā)過快發(fā)生收縮開裂。

(3)33#主墩承臺(tái)施工日期為6月，是高溫期施工，混凝土入模溫度難以控制。

3 混凝土配合比及性能指標(biāo)

33#主墩承臺(tái)混凝土設(shè)計(jì)采用C40，本工程混凝土配合比設(shè)計(jì)見表1。

表1 大體積混凝土配合比 (單位：kg/m3)

混凝土物理熱學(xué)參數(shù)根據(jù)混凝土配合比進(jìn)行計(jì)算，線膨脹系數(shù)、泊松比根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值，結(jié)果見表2。其中：①混凝土彈性模量根據(jù)《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》附錄B“B.3 混凝土的彈性模量”進(jìn)行計(jì)算[2]；②混凝土比熱、導(dǎo)熱系數(shù)根據(jù)《大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制(第2版)》2.6 節(jié)“混凝土的熱學(xué)性能”進(jìn)行計(jì)算[4]。

表2 混凝土物理熱學(xué)參數(shù)

4 主墩承臺(tái)仿真計(jì)算

4.1 承臺(tái)模型參數(shù)

構(gòu)件尺寸：主橋主墩承臺(tái)采用整體式，高6 m，平面尺寸為56 m×27 m(橫×順)，橫橋向設(shè)橢圓端(長(zhǎng)軸半徑13.5 m，短軸半徑5.5 m)。約束條件：承臺(tái)封底采用C25混凝土，厚度3.5 m。分層分塊：承臺(tái)分兩次澆筑，每次澆筑高度3 m。按照構(gòu)件的對(duì)稱性，選取構(gòu)件混凝土1/4 進(jìn)行溫度應(yīng)力計(jì)算[5]，其計(jì)算模型見圖3。

圖3 主墩承臺(tái)大體積混凝土1/4網(wǎng)格剖分圖(含封底約束)

4.2 承臺(tái)邊界條件

33#主墩承臺(tái)大體積混凝土澆筑邊界條件如表3所示。其中，①入模溫度：33#主墩承臺(tái)于6月澆筑，是高溫期施工，按前述要求控制≤28℃。②環(huán)境溫度：參考橋址所在地佛山市三水區(qū)往年月平均氣溫，主墩承臺(tái)于6月施工，環(huán)境溫度按氣溫取值為29±3℃。③模板材質(zhì)：等效散熱系數(shù)根據(jù)《大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制(第二版)》3.3 節(jié)“邊界條件的近似處理”進(jìn)行計(jì)算[4]。

表3 大體積混凝土邊界條件

混凝土通過保溫層對(duì)空氣進(jìn)行散熱的等效放熱系數(shù)βs，可由式(1)計(jì)算：

(1)

施工風(fēng)速取4 m/s，光滑表面在空氣中的放熱系數(shù)βs=76.7 kJ/(m2·h·℃)；粗糙表面在空氣中的放熱系數(shù)β=82.2 kJ/(m2·h·℃)。

側(cè)面：為鋼模導(dǎo)熱系數(shù)λ=163.29 kJ/(m·h·℃)，求βs=76.6kJ/(m2·h·℃)。

分層面、永久暴露面：表面采取蓄水養(yǎng)護(hù)(蓄水15 cm)，水的導(dǎo)熱系數(shù)取λ=0.58×3.6 kJ/(m·h·℃)=2.09 kJ/(m·h·℃)，求得βs=11.9 kJ/(m2·h·℃)。

4.3 承臺(tái)仿真計(jì)算結(jié)果

4.3.1 溫度計(jì)算結(jié)果及分析

在上述設(shè)定工況計(jì)算條件，承臺(tái)內(nèi)部最高溫度與最大內(nèi)表溫差計(jì)算結(jié)果見表4，其計(jì)算值滿足2.1所確定的溫度控制標(biāo)準(zhǔn)。

表4 溫度計(jì)算結(jié)果

計(jì)算構(gòu)件內(nèi)部最高溫度包絡(luò)圖見圖4，可見構(gòu)件內(nèi)部溫度最高，且大于60℃占承臺(tái)總體積的41.5%，表面溫度較低，為29～33℃；因此在澆筑后溫度控制的重點(diǎn)為“外保內(nèi)散”，即內(nèi)部循環(huán)通水加速散熱(必要時(shí)可通冰水)，周邊與表面部位需增強(qiáng)保溫養(yǎng)護(hù)。

圖4 承臺(tái)混凝土內(nèi)部最高溫度包絡(luò)圖(溫度單位：℃)

選取承臺(tái)第一層表面N:6572點(diǎn)和中心N:8813點(diǎn)，得到溫度時(shí)程曲線見圖5a，選取承臺(tái)第二層表面N:18312點(diǎn)和中心N:26984點(diǎn)，得到溫度時(shí)程曲線見圖5b?？梢姵信_(tái)內(nèi)部溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在第三天，溫峰后內(nèi)部溫度降溫較慢，表面溫度降溫較快，內(nèi)表溫差持續(xù)增大。第二層承臺(tái)新澆筑的混凝土?xí)鸬谝粚右褲仓炷翜囟然厣?，此時(shí)可對(duì)第一層承臺(tái)內(nèi)部混凝土再次循環(huán)通水進(jìn)行降溫。

(a)承臺(tái)第一層混凝土典型點(diǎn)溫度時(shí)程曲線

4.3.2 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果及分析

在上述設(shè)定工況計(jì)算條件下，承臺(tái)大體積混凝土特定齡期溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表5，可以看出，承臺(tái)混凝土各齡期溫度應(yīng)力計(jì)算值均低于容許應(yīng)力值，抗裂安全性符合標(biāo)準(zhǔn)。

表5 承臺(tái)溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

承臺(tái)第一層與第二層混凝土各齡期應(yīng)力場(chǎng)分布見圖6和圖7。由圖可看出，兩層承臺(tái)混凝土早期膨脹，3～7 d 應(yīng)力發(fā)展迅速，主要表現(xiàn)在構(gòu)件上表面，是內(nèi)表溫差引起的拉應(yīng)力[6]；后期混凝土產(chǎn)生收縮，7 d后有部分應(yīng)力向構(gòu)件內(nèi)部轉(zhuǎn)移并隨時(shí)間逐趨于穩(wěn)定。因早期混凝土上表面與側(cè)面的內(nèi)表溫差較大會(huì)產(chǎn)生一定應(yīng)力集中，應(yīng)注意在3～7 d加強(qiáng)通循環(huán)冷卻水降低構(gòu)件內(nèi)部溫度與外露表面的保溫養(yǎng)護(hù)，使其內(nèi)表溫差降低，避免約束累積開裂。

(a)3 d應(yīng)力場(chǎng)

(c)28 d應(yīng)力場(chǎng)

(a)3 d應(yīng)力場(chǎng)

5 結(jié)語(yǔ)

在參建各方的共同努力下， 33#主墩承臺(tái)歷時(shí)2個(gè)多月順利施工完成。通過現(xiàn)場(chǎng)溫度監(jiān)測(cè)，各層承臺(tái)的內(nèi)表溫度發(fā)展、溫峰出現(xiàn)日期與仿真計(jì)算結(jié)果基本吻合，采取“外保內(nèi)散”的溫控措施后，承臺(tái)表面混凝土未發(fā)現(xiàn)溫度裂縫，達(dá)到了預(yù)期的效果。

本研究通過仿真計(jì)算三水三橋主墩承臺(tái)施工期大體積混凝土內(nèi)部溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)，33#主墩承臺(tái)大體積混凝土內(nèi)部最高溫度66.4℃，最大內(nèi)表溫差20.5℃，均符合規(guī)定，承臺(tái)混凝土各齡期溫度應(yīng)力計(jì)算值均在容許應(yīng)力值范圍內(nèi)。同時(shí)，分析得出溫峰在第3 d出現(xiàn)，溫峰后內(nèi)部溫度降溫較慢，表面溫度降溫較快，內(nèi)表溫差持續(xù)增大；承臺(tái)上表面的應(yīng)力在3～7 d發(fā)展迅速，7 d后部分應(yīng)力開始向承臺(tái)內(nèi)部轉(zhuǎn)移；在早期承臺(tái)混凝土上表面與側(cè)面較薄弱，因內(nèi)表溫差較大產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)注意在3～7 d加強(qiáng)循環(huán)冷卻水降低內(nèi)部溫度與外露表面的保溫養(yǎng)護(hù)，以此指導(dǎo)施工，防止構(gòu)件出現(xiàn)裂縫，可為類似工程提供借鑒。