橋梁大體積混凝土基礎(chǔ)溫度應(yīng)力敏感性分析

杜春偉

摘要 大體積混凝土在施工過程中容易受到溫度應(yīng)力的影響而產(chǎn)生裂縫，嚴(yán)重影響橋梁的安全性和耐久性。為了進(jìn)一步掌握不同因素對大體積混凝土溫度應(yīng)力的影響規(guī)律，文章通過建立承臺數(shù)值模型研究了冷卻水管間距、通水溫度、混凝土澆筑溫度以及冷卻水流速對大體積混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力隨著通水溫度與澆筑溫度間差距的增大而增大，冷卻水溫與澆筑溫度相近時最佳；混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力隨著冷卻管布置間距的減小而減小，其中1.5 m間距和1 m間距的溫度應(yīng)力值相近，且都遠(yuǎn)小于3 m間距時的溫度應(yīng)力，綜合考慮鋪設(shè)成本和混凝土內(nèi)部的溫度應(yīng)力，冷卻管間距為1.5 m時最佳；冷卻水流速對混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力影響較小，在實際工程中參考冷卻管管徑選擇合適的冷卻水流速即可。

關(guān)鍵詞 大體積混凝土；橋梁基礎(chǔ)；溫度應(yīng)力；數(shù)值模型；冷卻水管

中圖分類號 TU755.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）08-0101-03

0 引言

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，大體積混凝土在橋梁基礎(chǔ)工程中的應(yīng)用越來越廣泛[1-2]。大體積混凝土在澆筑過程中，水泥的水化反應(yīng)會釋放出大量的熱量，使混凝土內(nèi)部溫度快速升高[3]。由于混凝土自身傳熱性較差，而外表面散熱較快，使其內(nèi)部溫度較高，外部溫度較低，形成較大的內(nèi)外溫差，導(dǎo)致大體積混凝土產(chǎn)生了較大的溫度應(yīng)力[4]。一旦溫度應(yīng)力過大，超過了混凝土的抗裂能力，混凝土就會產(chǎn)生裂縫，影響工程質(zhì)量和安全。在實際工程中，通常以鋪設(shè)冷卻水管的方式來降低大體積混凝土內(nèi)部溫度，從而控制混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力。譚海苗等[5]分析了大體積混凝土溫度應(yīng)力受冷卻措施和冷卻水溫的影響程度，對冷卻措施進(jìn)行了優(yōu)化。趙一博[6]分析了大體積混凝土溫度場受外界氣溫環(huán)境的影響規(guī)律，對工程施工養(yǎng)護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化。

基于此，為了進(jìn)一步掌握不同因素對大體積混凝土溫度應(yīng)力的影響規(guī)律，通過建立承臺數(shù)值模型研究了冷卻水管間距、通水溫度、混凝土澆筑溫度以及冷卻水流速對大體積混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力的影響規(guī)律，為類似項目提供了指導(dǎo)和借鑒。

1 工程概況

某大橋為雙索雙塔斜拉橋，索塔基礎(chǔ)形式為鉆孔灌注樁+承臺，所用混凝土等級為C40。承臺混凝土總方量為6 094 m3，長、寬、厚分別為54.6 m、18.4 m和6 m，為大體積混凝土工程。施工承臺時共分2次澆筑，每次澆筑厚度為3 m。為避免分層澆筑基礎(chǔ)時的時間間隔過長，對基礎(chǔ)形成較大的約束，設(shè)置每層澆筑間隔為7 d。大體積混凝土在澆筑時會釋放大量熱量，產(chǎn)生較大的內(nèi)外溫，因此在工程中通常設(shè)置冷卻水管來降低混凝土內(nèi)部溫度，抑制裂縫的形成。因為基礎(chǔ)承臺由2次澆筑而成，故鋪設(shè)2層冷卻水管，每層冷卻水管和起始澆筑面的距離均為0.4 m。

2 大體積混凝土承臺數(shù)值模型

通過冷卻水管降低大體積混凝土澆筑時的內(nèi)部溫度時，冷卻水管布置間距、冷卻水通水溫度、冷卻水流速均會影響冷卻管溫控效果，從而改變混凝土內(nèi)部的溫度應(yīng)力。此次通過建立承臺數(shù)值模型，分析上述因素對大體積承臺澆筑時內(nèi)部溫度應(yīng)力的影響程度。

2.1 模型的建立

由于承臺結(jié)構(gòu)對稱且2次澆筑厚度一致，因此僅構(gòu)建承臺1/2的數(shù)值模型，并只對第一層澆筑混凝土內(nèi)部溫度場進(jìn)行模擬。分別采用SLIOD單元和FLUID116單元模擬工程所用混凝土和冷卻管，模型節(jié)點共有9 788個，實體單元共有8 632個，如圖1所示為模型示意圖。

2.2 參數(shù)和邊界條件

為了便于分析不同因素對大橋基礎(chǔ)承臺溫度應(yīng)力的影響，設(shè)置所用混凝土、冷卻管、冷卻水的相關(guān)參數(shù)如表1所示，3 m/s和15 ℃分別為風(fēng)速和環(huán)境溫度。模擬時根據(jù)熱傳導(dǎo)方程計算混凝土溫度場，其初始條件為混凝土內(nèi)部初步釋放熱量，同時溫度在瞬間傳遞時分布情況，具體可通過式（1）表示：

T（x，y，z）T（x，y，z）=T0（x，y，z）=a （1）

式中，a——一常數(shù)。

由于實際工程中大體積混凝土內(nèi)部溫度會受到多方面因素的影響，導(dǎo)致溫度場模擬時的邊界條件難以確定。朱伯芳[7]對上述情況可能存在的邊界條件進(jìn)行了分析和歸類，共得出4種邊界類型，在此次模擬中，承臺四周和頂部均與空氣直接接觸，且施工方式為分層澆筑，為第3種邊界類型，具體表示方式如式（2）所示：

（2）

式中，n——計算面的外法線方向；β——混凝土表面放熱系數(shù)。

3 分析模擬結(jié)果

3.1 冷卻管通水溫度的影響

冷卻水管間距、混凝土澆筑溫度和冷卻水流速分別設(shè)為1.5 m、15 ℃和0.1 m/s，模擬計算大體積混凝土冷卻水在19 ℃、15 ℃、11 ℃和7 ℃通水溫度下的溫度應(yīng)力場，如圖2所示為不同通水溫度下第一層澆筑時混凝土應(yīng)力場中第一主應(yīng)力變化曲線。從圖2中能夠發(fā)現(xiàn)，通水溫度不同時，混凝土第一主應(yīng)力的大小也有所不同，隨著通水時間的增長，均表現(xiàn)為先快速增大，后逐漸保持穩(wěn)定的趨勢，且通水溫度越低，混凝土內(nèi)部的溫度應(yīng)力也越大，通水溫度與澆筑溫度差距越小，混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力就越小。這是由于在通水初期，冷卻水溫度與混凝土內(nèi)部溫度相差大，形成了較大的溫度應(yīng)力，當(dāng)持續(xù)通水一段時間后，冷卻水與混凝土發(fā)生熱量交換，兩者溫差逐漸減小，所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力也逐漸保持不變。對通水冷卻后混凝土內(nèi)部最高溫度進(jìn)行計算，結(jié)果如表2所示。

從表2中能夠發(fā)現(xiàn)，混凝土內(nèi)部溫度峰值在每降低4 ℃冷卻水溫時約降低1.22 ℃，這說明能夠通過降低冷卻水溫的方式來控制混凝土內(nèi)部溫度，但控制效果一般。結(jié)合以上分析，若僅通過持續(xù)降低冷卻水溫度來控制混凝土內(nèi)部溫度，則會造成較大的溫度應(yīng)力，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生溫度裂縫，影響承臺整體質(zhì)量，所以綜合考慮后冷卻水溫與澆筑溫度相近時最佳。

3.2 冷卻水管布置間距的影響

冷卻水流速、冷卻水通水溫度、混凝土澆筑溫度分別設(shè)為0.1 m/s、15 ℃和15 ℃，對冷卻管不同水平間距（3 m、1.5 m和1 m）下第一澆筑層內(nèi)第一主應(yīng)力進(jìn)行計算，具體結(jié)果如圖3所示。從圖3中能夠得出，冷卻管鋪設(shè)間距對混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力影響較大，混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力隨著冷卻管布置間距的減小而減小。其中1.5 m間距和1 m間距的溫度應(yīng)力值相近，同時都遠(yuǎn)小于3 m間距時的溫度應(yīng)力，綜合考慮鋪設(shè)成本和混凝土內(nèi)部的溫度應(yīng)力，冷卻管間距為1.5 m時最佳。

3.3 冷卻水流速的影響

冷卻水管間距、混凝土澆筑溫度和冷卻水通水溫度分別設(shè)置為1.5 m、15 ℃和15 ℃，對冷卻管中冷卻水不同流速（0.3、0.2和0.1 m/s）下第一澆筑層內(nèi)的第一主應(yīng)力進(jìn)行計算，具體結(jié)果如圖4所示。從圖4中能夠得出，3種冷卻水流速下混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力變化趨勢和大小相差較小，這表示冷卻水流速對混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力影響較小，在實際工程中參考冷卻管管徑選擇合適的冷卻水流速即可。

3.4 混凝土澆筑溫度的影響

冷卻水管間距、冷卻水流速和冷卻水通水溫度分別設(shè)置為1.5 m、0.1 m/s和15 ℃，對不同混凝土澆筑溫度（12、15和18 ℃）下第一澆筑層內(nèi)的第一主應(yīng)力進(jìn)行計算，具體結(jié)果如圖5所示。從圖5中能夠得出，隨著澆筑溫度的提高，承臺混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力也隨之增大，澆筑溫度越大，初始能量和內(nèi)部的熱量就越高，加大了混凝土內(nèi)外溫度的溫差，導(dǎo)致溫度應(yīng)力增大。同時能夠發(fā)現(xiàn)，混凝土內(nèi)部拉應(yīng)力峰值發(fā)生的時間會因澆筑溫度的增大而提前，澆筑溫度每增大10 ℃，拉應(yīng)力峰值發(fā)生的時間就會提前一天。而在混凝土澆筑過程中，其強(qiáng)度隨著時間的增長而提高，澆筑溫度增大而導(dǎo)致的混凝土溫度應(yīng)力峰值提前會對混凝土質(zhì)量造成負(fù)面影響，因此在澆筑混凝土?xí)r要結(jié)合施工條件和環(huán)境溫度選擇合適的澆筑溫度。

4 結(jié)論

大體積混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力對混凝土的整體質(zhì)量影響較大，通過建立承臺數(shù)值模型研究了不同因素對大體積混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力的影響程度，主要得出以下結(jié)論：

（1）通水溫度不同對混凝土內(nèi)部的溫度應(yīng)力影響較大，通水溫度與澆筑溫度差距越大，混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力也越大，因此無法通過持續(xù)降低冷卻水溫的方式來控制混凝土內(nèi)部溫度，綜合考慮后冷卻水溫與澆筑溫度相近時最佳。

（2）冷卻管鋪設(shè)間距對混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力影響較大，混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力隨著冷卻管布置間距的減小而減小。其中1.5 m間距和1 m間距的溫度應(yīng)力值相近，同時都遠(yuǎn)小于3 m間距時的溫度應(yīng)力，綜合考慮鋪設(shè)成本和混凝土內(nèi)部的溫度應(yīng)力，冷卻管間距為1.5 m時最佳。

（3）冷卻水流速對混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力影響較小，在實際工程中參考冷卻管管徑選擇合適的冷卻水流速即可；隨著澆筑溫度的提高，承臺混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力也隨之增大，且混凝土內(nèi)部拉應(yīng)力峰值發(fā)生的時間會因澆筑溫度的增大而提前，因此在澆筑混凝土?xí)r要結(jié)合施工條件和環(huán)境溫度選擇合適的澆筑溫度。

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