论文部分内容阅读
摘要：水化热的控制，是解决大体积混凝土施工的控制性技术，目前国内许多特大桥的承台都存在混凝土水化热，给施工带来了诸多问题。本文以港珠澳九州航道桥主塔墩承台浇筑混凝土温度控制为实例，通过现场试验反复确定了混凝土配合比设计后，建立承台大体积混凝土在管冷作用下的水化热分析模型，进行仿真计算。计算结果表明，承台受力均满足规范要求。提出了解决施工过程中水化热的控制措施，保证港珠澳九州航道桥主塔墩承台的顺利浇筑。
关键词:承台；水化热；有限元；控制措施
中图分类号： U61 文献标识码： A
1 工程概况
九洲航道桥采用双塔单索面钢--混组合梁斜拉桥，主跨设单孔双向通航，桥跨布置为（85+127.5+268+127.5+85）m，全长693m。主跨桥面标准宽度为36.8m，两侧过主塔后渐变至33.1m，以实现主、引桥桥面的顺畅衔接。桥梁总体布置见图1。
图1九洲航道桥总体布置图
港珠澳大桥九州航道桥主塔墩承台平面为圆端型，平面尺寸为37.3m×23.5m×5.5m。封底混凝土厚2.5m，采用C30混凝土，承台采用C45混凝土。承台混凝土分两次浇筑，第一次浇筑1.5m厚，第二次浇筑剩余4m厚。混凝土浇筑按照大体积混凝土施工工艺进行，采取循环冷却水管和保温蓄热养护等一系列技术措施，控制混凝土内部因水化热引起的绝热温升，防止内外温差过大产生的有害裂纹，确保大体积混凝土质量。主塔墩承台冷却水管布置图见图2。
图2主塔墩承台冷却水管布置图
2 承台施工期温度场和应力场仿真计算
2.1计算参数
项目 承台 封底混凝土 单位
比热： 1.004 0.96 kJ/kg. ℃
导热系数： 11.364 9 kJ/m.h. ℃
弹性模量 3.35E+04 3.0E+04 MPa
导温系数 4.67×10-3 2.45×10-3 m2/h
线膨胀系数 1.00E-05 1.00E-05
伯松比 0.2 0.2
密度： 2424.3 2549 kg/m3
浇筑温度 20 —— ℃
抗拉强度 2.01 —— MPa
散热系数 52.9 KJ/m2.h. ℃
空气温度 30 ℃
冷却水温 15 ℃
2.2计算模型
采用桥梁专用有限元分析软件Midas Civil进行计算。
为减少单元数量，缩短计算时间，选择模型（对称结构）的四分之一进行分析。实际承台施工是在已施工的2.5m厚的封底混凝土之上，建模同时建立封底混凝土模型，但不考虑其热源效应。整个模型有8480个单元，结点总数为9844个。建立的有限元分析模型如图3。
图3承台热分析有限元计算模型（四分之一）
2.3温度场计算结果与分析
从计算结果可以看出，温度最高的地方出现在承台中心处，承台顶面与空气进行对流换热，承台侧面与水进行对流换热，温度很快降低，但中心处温度降低较慢。浇筑后的第5天，中心温度达到第一次最高值44.4℃，温度较浇筑开始时刻升高了24.4℃,随后温度开始缓慢下降。
图4混凝土第5天温度场云图
图5前40天，混凝土中心点与表面点温度变化曲线
从图5可以看出，中心温度与表面温度差值都在25℃以下，满足规范要求。施工时加强外部保温和内部散热，严格执行温控措施，做好早龄期砼保温养护工作，可保证承台大体积混凝土不出现有害温度裂缝。
2.4温度应力场计算与分析
由于混凝土的弹性模量是随着混凝土的龄期增长呈非线性增长，所以早期温度升高和后期温度降低，即使在同等温差条件下，所产生的应力也是不同的。承台混凝土在浇筑初期产生较小的压应力，而后期降温阶段产生较大的拉应力，这种拉应力如果大于混凝土同龄期的抗拉强度，就会产生裂缝。因此，在重要结构物混凝土浇筑之前都要做温控设计，根据不同情况，计算混凝土的温度场和温度应力，并与混凝土抗拉强度进行比较，是否在允许的范围之内。
当混凝土升温时，体积将受热膨胀，反之将收缩。如果混凝土的膨胀或收缩不受任何限制，那么在混凝土体内，将不产生任何应力。当然，对于自由温度变形只有在满足下述条件时才能出现，即当混凝土不和处于另一力学变形或温度变形的物体相联系，体内各点的温度相同，即：（1）当混凝土的温度呈均匀变化；（2）当混凝土的温度场呈线性变化。除此之外，温度场如果按其他规律变化，或当所研究物体与其他物体发生联系，这些物体内，将产生温度应力，他们不仅和物体的线膨胀系数有关，而且和组成物体材料的物理力学性能及热学性能有关。
工程实践表明，当因环境温度降低而产生的温度应力大于混凝土的抗拉强度时，混凝土板块会在中间部位附近出现垂直裂缝。此外，由于混凝土外部散热速度相对于内部要快一些，会使得内外部分之间存在温度梯度，内部的膨胀大于外部的膨胀量，使得混凝土的内部和外表面之间相互产生约束应力， 并可能导致大体积混凝土开裂。本模型温度应力计算结果如下：
图6承台表面X向应力变化曲线
图7承台表面Y向应力变化曲线
图8承台中心X向应力变化曲线
图9承台中心Y向应力变化曲线
从图6~图9可以看出，承台表面和承台中心的应力在混凝土浇筑完成后都没有出现拉应力。承台表面应力变化曲线如图6、图7所示，承台中心应力变化曲线如圖8、图9所示。承台表面处压应力最大值约3.15MPa，承台中心处压应力最大值约5.55MPa。
3采取的控制措施
根据前面关于温度场和温度应力场的计算分析结果，为保证本桥承台大体积混凝土施工不出现裂缝，提出以下温度控制措施：
1. 严格控制混凝土的出机口温度（搅拌温度），从而保证混凝土的浇筑温度不超过20℃。
2. 施工过程中，严格遵循“内降外保”的原则，混凝土浇筑完成后立即连续不间断的通冷却循环水进行内部水管冷却降温，进水口水温控制在15℃以下。并监测混凝土内部降温情况，当每天温度降低超过2℃时，应采取间断循环水。
3. 浇筑完成后，立即在混凝土表面全部铺盖保温棉进行保温保湿养护，防止混凝土表面散热过快。此项工作应指定专人负责，应密切关注，24小不间断监测养护情况，并做好养护记录。
4. 优先选用低热硅酸盐水泥或低热矿渣硅酸盐水泥，进一步优化混凝土配合比设计；大体积混凝土施工所用水泥其7天的水化热不宜大于270kJ/kg。
5. 冷却水管的要求：
a) 冷却水管共布置3层，间距1m(详见《冷却水管布置图》)。
b) 在混凝土浇筑至水管标高后立即开始通水，连续通水5天左右。
c) 冷却水管的长度不超过100米，应多设冷却管组单元，多设进水口。
d) 为保证冷却水的初期降温效果，施工单位要提前成立专门班子，专人负责。
e) 合理选择水泵，并配备检修人员，准备1~2台备用水泵。
4 结语
随着桥梁事业的不断发展，大型承台设计也越来越多，大型承台施工过程中混凝土水化热控制与分析显得更加重要。在大体积混凝土施工过程中，严格控制混凝土水化热是施工控制的关键之所在，随着有限元软件的发展，可以很精确的模拟混凝土水化热释放的过程，利用计算结果来指导具体的施工。在施工过程中，当地气候条件，混凝土入模温度，冷却水的温度，人工操作过程，先进的检测监控仪器与技术等等，都对水化热的控制起着决定性的作用。
参考文献：
[1] 蔡正泳，混凝土性能[M],北京，中国建筑出版社1979
[2]朱伯方，大体积混凝土温度应力与温度控制[M]，北京：人民交通出版社1988
[3] 张宇鑫，大体积混凝土温度应力仿真分析与反分析，大连：大连理大学2003
关键词:承台；水化热；有限元；控制措施
中图分类号： U61 文献标识码： A
1 工程概况
九洲航道桥采用双塔单索面钢--混组合梁斜拉桥，主跨设单孔双向通航，桥跨布置为（85+127.5+268+127.5+85）m，全长693m。主跨桥面标准宽度为36.8m，两侧过主塔后渐变至33.1m，以实现主、引桥桥面的顺畅衔接。桥梁总体布置见图1。
图1九洲航道桥总体布置图
港珠澳大桥九州航道桥主塔墩承台平面为圆端型，平面尺寸为37.3m×23.5m×5.5m。封底混凝土厚2.5m，采用C30混凝土，承台采用C45混凝土。承台混凝土分两次浇筑，第一次浇筑1.5m厚，第二次浇筑剩余4m厚。混凝土浇筑按照大体积混凝土施工工艺进行，采取循环冷却水管和保温蓄热养护等一系列技术措施，控制混凝土内部因水化热引起的绝热温升，防止内外温差过大产生的有害裂纹，确保大体积混凝土质量。主塔墩承台冷却水管布置图见图2。
图2主塔墩承台冷却水管布置图
2 承台施工期温度场和应力场仿真计算
2.1计算参数
项目 承台 封底混凝土 单位
比热： 1.004 0.96 kJ/kg. ℃
导热系数： 11.364 9 kJ/m.h. ℃
弹性模量 3.35E+04 3.0E+04 MPa
导温系数 4.67×10-3 2.45×10-3 m2/h
线膨胀系数 1.00E-05 1.00E-05
伯松比 0.2 0.2
密度： 2424.3 2549 kg/m3
浇筑温度 20 —— ℃
抗拉强度 2.01 —— MPa
散热系数 52.9 KJ/m2.h. ℃
空气温度 30 ℃
冷却水温 15 ℃
2.2计算模型
采用桥梁专用有限元分析软件Midas Civil进行计算。
为减少单元数量，缩短计算时间，选择模型（对称结构）的四分之一进行分析。实际承台施工是在已施工的2.5m厚的封底混凝土之上，建模同时建立封底混凝土模型，但不考虑其热源效应。整个模型有8480个单元，结点总数为9844个。建立的有限元分析模型如图3。
图3承台热分析有限元计算模型（四分之一）
2.3温度场计算结果与分析
从计算结果可以看出，温度最高的地方出现在承台中心处，承台顶面与空气进行对流换热，承台侧面与水进行对流换热，温度很快降低，但中心处温度降低较慢。浇筑后的第5天，中心温度达到第一次最高值44.4℃，温度较浇筑开始时刻升高了24.4℃,随后温度开始缓慢下降。
图4混凝土第5天温度场云图
图5前40天，混凝土中心点与表面点温度变化曲线
从图5可以看出，中心温度与表面温度差值都在25℃以下，满足规范要求。施工时加强外部保温和内部散热，严格执行温控措施，做好早龄期砼保温养护工作，可保证承台大体积混凝土不出现有害温度裂缝。
2.4温度应力场计算与分析
由于混凝土的弹性模量是随着混凝土的龄期增长呈非线性增长，所以早期温度升高和后期温度降低，即使在同等温差条件下，所产生的应力也是不同的。承台混凝土在浇筑初期产生较小的压应力，而后期降温阶段产生较大的拉应力，这种拉应力如果大于混凝土同龄期的抗拉强度，就会产生裂缝。因此，在重要结构物混凝土浇筑之前都要做温控设计，根据不同情况，计算混凝土的温度场和温度应力，并与混凝土抗拉强度进行比较，是否在允许的范围之内。
当混凝土升温时，体积将受热膨胀，反之将收缩。如果混凝土的膨胀或收缩不受任何限制，那么在混凝土体内，将不产生任何应力。当然，对于自由温度变形只有在满足下述条件时才能出现，即当混凝土不和处于另一力学变形或温度变形的物体相联系，体内各点的温度相同，即：（1）当混凝土的温度呈均匀变化；（2）当混凝土的温度场呈线性变化。除此之外，温度场如果按其他规律变化，或当所研究物体与其他物体发生联系，这些物体内，将产生温度应力，他们不仅和物体的线膨胀系数有关，而且和组成物体材料的物理力学性能及热学性能有关。
工程实践表明，当因环境温度降低而产生的温度应力大于混凝土的抗拉强度时，混凝土板块会在中间部位附近出现垂直裂缝。此外，由于混凝土外部散热速度相对于内部要快一些，会使得内外部分之间存在温度梯度，内部的膨胀大于外部的膨胀量，使得混凝土的内部和外表面之间相互产生约束应力， 并可能导致大体积混凝土开裂。本模型温度应力计算结果如下：
图6承台表面X向应力变化曲线
图7承台表面Y向应力变化曲线
图8承台中心X向应力变化曲线
图9承台中心Y向应力变化曲线
从图6~图9可以看出，承台表面和承台中心的应力在混凝土浇筑完成后都没有出现拉应力。承台表面应力变化曲线如图6、图7所示，承台中心应力变化曲线如圖8、图9所示。承台表面处压应力最大值约3.15MPa，承台中心处压应力最大值约5.55MPa。
3采取的控制措施
根据前面关于温度场和温度应力场的计算分析结果，为保证本桥承台大体积混凝土施工不出现裂缝，提出以下温度控制措施：
1. 严格控制混凝土的出机口温度（搅拌温度），从而保证混凝土的浇筑温度不超过20℃。
2. 施工过程中，严格遵循“内降外保”的原则，混凝土浇筑完成后立即连续不间断的通冷却循环水进行内部水管冷却降温，进水口水温控制在15℃以下。并监测混凝土内部降温情况，当每天温度降低超过2℃时，应采取间断循环水。
3. 浇筑完成后，立即在混凝土表面全部铺盖保温棉进行保温保湿养护，防止混凝土表面散热过快。此项工作应指定专人负责，应密切关注，24小不间断监测养护情况，并做好养护记录。
4. 优先选用低热硅酸盐水泥或低热矿渣硅酸盐水泥，进一步优化混凝土配合比设计；大体积混凝土施工所用水泥其7天的水化热不宜大于270kJ/kg。
5. 冷却水管的要求：
a) 冷却水管共布置3层，间距1m(详见《冷却水管布置图》)。
b) 在混凝土浇筑至水管标高后立即开始通水，连续通水5天左右。
c) 冷却水管的长度不超过100米，应多设冷却管组单元，多设进水口。
d) 为保证冷却水的初期降温效果，施工单位要提前成立专门班子，专人负责。
e) 合理选择水泵，并配备检修人员，准备1~2台备用水泵。
4 结语
随着桥梁事业的不断发展，大型承台设计也越来越多，大型承台施工过程中混凝土水化热控制与分析显得更加重要。在大体积混凝土施工过程中，严格控制混凝土水化热是施工控制的关键之所在，随着有限元软件的发展，可以很精确的模拟混凝土水化热释放的过程，利用计算结果来指导具体的施工。在施工过程中，当地气候条件，混凝土入模温度，冷却水的温度，人工操作过程，先进的检测监控仪器与技术等等，都对水化热的控制起着决定性的作用。
参考文献：
[1] 蔡正泳，混凝土性能[M],北京，中国建筑出版社1979
[2]朱伯方，大体积混凝土温度应力与温度控制[M]，北京：人民交通出版社1988
[3] 张宇鑫，大体积混凝土温度应力仿真分析与反分析，大连：大连理大学2003