承臺大體積混凝土溫度效應研究
關鍵詞：斜拉橋,承臺,溫度效應 ,仿真計算
1. 工程概況
九江長江大橋南塔承臺采用兩個邊長為22.5m×22.5m×8m分離式承臺。每個承臺下設14根直徑2.8m，長80.4m樁基。單個承臺工程數(shù)量分別為： HRB335級鋼筋302008.4Kg ，混凝土方量3555.09m3，屬典型大體積混凝土承臺。承臺施工采用鉆孔樁加擺噴樁圍護結構進行支護，基坑開挖后，分兩次進行澆筑混凝土，每次澆筑高度為4m。
承臺混凝土施工按大體積混凝土溫控方案進行控制施工，該承臺施工的難點有：(1)冬季施工，外界氣溫較低，混凝土表層散熱較快，內(nèi)外溫差難以控制。(2)混凝土體積較大，內(nèi)層混凝土降溫緩慢，混凝土水化熱較高。(3)由于內(nèi)外溫差較大引起的溫度應力問題導致混凝土開裂。為了保證承臺混凝土施工澆筑期的安全性，合理制定溫控措施，要對承臺混凝土進行施工期的仿真計算，得出當前工況下混凝土的溫度場應力場分布特點，同時將計算結果與實測值進行對比，得出合理的施工方案及溫控措施。
2. 承臺混凝土施工方案介紹
承臺混凝土分兩次澆注，每次澆筑4米，施工時間間隔15天，混凝土初凝時間按不小于50小時設計。第二次澆筑時應對上次澆注混凝土頂面進行鑿毛處理，并用清水清理干凈，使得新老混凝土更好結合�；炷涟韬蠂栏癜词┕づ浜媳扰淞�，砂、石、水泥、水及外加劑等原材料必須經(jīng)過質量檢驗并符合要求，計量要準確，保證混凝土拌合時間。
承臺澆注時采用薄層澆注，控制混凝土在澆注過程中均勻上升，避免拌和物堆積過大高差，混凝土的分層厚度控制在30cm，機械震搗，采用階梯式分層方法，確保層間間隔時間t≤4小時。澆注順序由兩端開始，逐步向中間澆注。為避免形成接縫，澆筑上層時插入式振搗器伸入到下層10cm，插入式振搗棒的移動間距不得大于振搗棒的作用直徑。振搗時采取快插慢拔的方式，插入和拔出必須保持振搗棒的垂直，振搗時間以混凝土表面泛漿為好。第二次澆注時，在側模振搗孔處進行振搗。
承臺混凝土采用保濕蓄熱法養(yǎng)護，即在承臺表面覆蓋帆布或草袋，用冷卻管流出的水進行養(yǎng)護，養(yǎng)護時間不低于14d。經(jīng)常澆水，保持混凝土表面濕潤。冷卻水管采用的是潔凈的長江水。砼養(yǎng)護和冷卻水循環(huán)24h監(jiān)控，監(jiān)控期限以大體積砼體內(nèi)外溫差不大于250C且通水時間不小于15d為止。通過調(diào)節(jié)冷卻水管進出水流量和流速，可有效地提高混凝土內(nèi)部降溫效率，控制溫差，縮短混凝土養(yǎng)護時間。
3. 承臺混凝土溫度場仿真計算
應用大型通用有限元計算軟件對承臺混凝土進行溫度有限元仿真計算。計算模擬根據(jù)施工階段過程劃分為2個工況：第一工況澆筑4米高度的混凝土，混凝土周圍為土體，可取固定溫度;第二工況澆筑高度4米，其中下面2m范圍與土體接觸，上面2m與外界相通。此外，為減少建模劃分網(wǎng)格數(shù)量，第二工況上層混凝土2米高度部分由傾斜漸變修整為豎直等截面，此差異對整體計算結果影響很小，可以忽略不計。圖2為溫度場有限元計算模型。
計算參數(shù)選擇如下：混凝土底面和周邊與基坑支護結構接觸取周圍土體固定溫度10oC;根據(jù)熱工計算，承臺側面放熱系數(shù)：β=6.6 kcal/m2 h oC=27.59 kJ/m2.h. oC;混凝土分層澆筑時，層間結合面和承臺頂面采用蓄水和草袋覆蓋進行保溫養(yǎng)護，則放熱系數(shù)β=3.8 kcal/m2.h. oC=15.88 kJ/m2.h. oC�；炷翗颂枮镃35;泊松比u=1/6;密度ρ=2438kg/m3;28天彈性模量為3.15×104MPa。
結果分析可知：混凝土澆筑初期升溫迅速，約在75h時達到溫度峰值，整個溫度高峰期約30-40h，第一層混凝土溫度約在澆筑后100小時候開始有明顯的下降，但下降速率緩慢，直至澆筑20天后，開始澆筑第二層混凝土，第二層混凝土與第一層混凝土相近，約75h達到溫度最大值49.1 ºC，約20h后開始降溫，中心層降溫緩慢外層混凝土降溫較快。結合面上節(jié)點在第二階段混凝土開始澆筑后混凝土的溫度有所上升，峰值甚至高過第一階段混凝土的升溫。
圖3和圖4分別為承臺在t=75h和t=575h的溫度場分布云圖。
4. 溫控參數(shù)分析
管冷的基本數(shù)據(jù)：水的比熱=1Kcal g/kgf [ºc]，容重=1000kgf/ ,;流入溫度15ºC，流量1.8 /hr,管徑0.032m,對流系數(shù)80kcal/ hr [ºC]，管距1m。
管冷的影響因素有管厚，管距，管徑，冷卻水溫，冷卻水的流量，水流方向。
以下考慮管距與管徑對于冷卻效果的影響，因為管距和管徑直接影響了材料的消耗，考慮的是其經(jīng)濟性的原則。
取管徑為0.032m、0.048m、0.064m進行計算，三種管徑下溫度變化不大，對實際溫度控制的意義不大，即使管徑增大一倍，即用鋼量增大四倍溫度僅僅降低2度左右，效果并不明顯所以混凝土的管徑取0.032足以滿足溫控的要求。
經(jīng)過計算管距1.0m時的溫度較管距2.0m的溫度平均要低6|-7度，而用鋼量僅多出一倍，冷卻效果明顯，經(jīng)濟性較增加管徑良好，因此對于大體積混凝土的澆筑，布置冷卻水管時為達到良好的降溫效果，再考慮經(jīng)濟的同時，可以采取減小管距的做法，但管距不宜過小，否則會由于冷卻水管布置過密而影響混凝土的澆筑質量，直接影響到結構的承載能力。
5. 溫度測試及結果分析
為驗證溫度場理論計算結果，對南塔承臺進行溫度場測點布置。由于承臺分上下兩層澆筑,每層布置7個溫度測點，測點布置圖見圖4。取四分之一結構，測點1埋設于試塊的平面中心位置預計應該是溫度峰值點，測點2,3,4號按半圓弧型布置在1號測點周圍，最外圍是5，6號測點，測點共分上下兩層。
南塔承臺第一層澆筑于2010年12月3日凌晨開始至2010年12月4日7點，第二層混凝土于2010年12月14日凌晨開始澆筑于12月25日7點結束。上下兩層的間隔時間為10天左右，由于是冬季施工氣溫一直較低，并且在12月24日有降雪，氣溫驟降至零下-3攝氏度。在混凝土澆筑前安裝好測點元件，與12月2日23點左右開始讀數(shù)，承臺下層混凝土于12月3日0:30分開始澆筑，大約在當日早上8時左右開始接觸測點，第一層混凝土澆筑于4日早7時結束，一共經(jīng)歷了30小時的澆筑時間。
實測數(shù)據(jù)與計算值的對比：
結果分析:
第一層混凝土澆筑較早，中心測點在65h時達到溫度最大值，計算值約比實測值晚10h到達最大值，不論從上升段還是下降段曲線，計算值與實測值都基本吻合，且大部分測點的溫度實測終值要高于計算的所得的溫度值，內(nèi)部測點的實測值與計算值較外部測點的精度更高，這是由于內(nèi)部測點受環(huán)境變化及邊界條件的影響較小，與計算值吻合較好，外部測點受環(huán)境變化及邊界條件的影響較大，在計算中易于產(chǎn)生一定的誤差。計算值與實測值存在誤差的原因，主要為：
(1)冷卻水取至長江水水溫由當時氣溫決定并非恒定，因此在計算時所設參數(shù)為定值本身與實際情況有差別，
(2)并且混凝土本身性質復雜，摻合料的添加也影響了混凝土的性質，在計算時計算參數(shù)不能完全表現(xiàn)當時混凝土的真實熱學性能，
(3)澆筑后上層表面在澆筑完成后進行蓄水養(yǎng)護，蓄水養(yǎng)護時的水溫等環(huán)境條件也并非恒定，對流邊界的計算參數(shù)和實際值的誤差是無法避免的。
(4)周圍土體取固定溫度，按照第二類邊界條件計算本身也存在誤差，同時計算時單元劃分越細，在此類邊界條件下的計算值要越精。
6.承臺溫度控制建議
通過對實際工程中現(xiàn)場承臺混凝土實測數(shù)據(jù)與計算值的比較分析，以及大體積混凝土澆筑施工的溫度控制經(jīng)驗，提出南索塔承臺施工實用措施的建議，具體措施如下:
(1)為了降低混凝土的絕熱溫升、溫度峰值與內(nèi)外混凝土的最大溫差，應盡可能的選用低熱水泥。
(2)摻入外加劑，如緩凝劑、減水劑或膨脹劑。
(3)降低混凝土的澆筑入模溫度，這也就降低了混凝土內(nèi)部最高升溫和內(nèi)外溫差。其中實用措施包括:做好原材料的降溫工作，減小運輸距離，拌和水的溫度要低，同時做好運輸和澆筑過程中的保溫工作。
(4)根據(jù)承臺的仿真計算結果，承臺混凝土可以分兩次澆筑，每次澆筑高度為4米，間隔為20天。在第二層混凝土澆筑前，要將老混凝土表面鑿粗糙，使得新老混凝土結合緊密，易于施工。
(5)冷卻水管可以按照上下層相互垂直排布，每層管冷按1米間距布置，上下層管冷相距1米，但最下一層管冷通水時間可以較晚并且可以較早結束通水，冷卻水的通水方向宜每12h轉變一次方向，可以使混凝土內(nèi)部溫度分布更加均勻，且通水時間可以按照實測的實時溫度加以控制。
(6)當混凝土澆筑完成后，應立即對混凝土表面按要求采取養(yǎng)護措施。措施包括：將混凝土降溫速度與內(nèi)外最大溫差控制在溫控指標及規(guī)范的范圍內(nèi)。應逐步分層進行覆蓋保溫層的工作、面層混凝土可以采用蓄水養(yǎng)護。當遇到溫度驟降或極端天氣時，第二層混凝土要做好混凝土表面的保溫措施如鋪蓋棉被保溫用帆布覆蓋表面防風，以防止因內(nèi)外溫差過大混凝土開裂。
