碾子坪特大桥大体积混凝土承台施工期水化热模拟与温度控制.pdf

·桥涵工程·收稿日期：２０１４０７０９碾子坪特大桥大体积混凝土承台施工期水化热模拟与温度控制刘国飞（山东铁正工程试验检测中心有限公司　济南　２５００１４）摘　要　结合厦蓉高速贵州境碾子坪特大桥主桥承台设计与施工，考虑了冷却水管的冷却水温、冷却水通水流量等参数，利用有限元软件　Ｍｉｄａｓ／Ｃｉｖｉｌ　对承台大体积混凝土施工期水化热进行仿真计算，分析了水化热变化规律及温度分布规律，并与实际温度监测结果进行了对比分析，提出了合理的施工方案，据此指导现场温度控制。关键词　承台　施工期水化热　仿真计算　温度控制中图分类号　　　Ｕ４４５．５７文献标识码　　　Ｂ文章编号　１００９４５３９　（２０１４）０９０１０９０３　　　　　　　　ＴｈｅＴｅｍｐｒｅｔｕｒｅＣｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇａｎｄＨｅａｔｏｆＨｙｄｒａｔａｔｉｏｎＳｉｍｕｌａｔｉｎｇＤｕｒｉｎｇ　　　　　　　　ＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＰｅｒｉｏｄｆｏｒＢｕｌｋＭａｓｓＣｏｎｃｒｅｔｅｏｆＮｉａｎｚｉｐｉｎｇＢｒｉｄｇｅ　ＬｉｕＧｕｏｆｅｉ（　　　　　　　ＳｈａｎｄｏｎｇＴｉｅｚｈｅｎｇＰｒｏｊｅｃｔＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔＡｎｄＩｎｓｐｅｃｔｉｏｎＣｅｎｔｅｒＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｊｉ’　ｎａｎ２５００１４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ　　　　　　　　　　ＣｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｂａｓｅｓｌａｂｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄｄｅｓｉｇｎｏｆＮｉａｎｚｉｐｉｎｇｂｒｉｄｇｅ，　　　　ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｆａｃｔｏｒｏｆｗａｔｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　　　　ａｎｄｒａｔｅｏｆｆｌｏｗｅｔｃ，　Ｍｉｄａｓ／Ｃｉｖｉｌ　　　　　　　　　　　　ｓｏｆｔｗａｒｅｗａｓｕｓｅｄｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｈｅａｔｏｆｈｙｄｒａｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｄｕｒｉｎｇｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｐｅｒｉｏｄ　　　　　　　　　　　　　　ａｎｄａｎａｌｙｚｅｔｈｅｃｈａｎｇｉｎｇｒｕｌｅｏｆｈｙｄｒａｔｉｏｎｈｅａｔａｎｄｗａｔｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓ，ｒｅａ桥　　　　　　　　　ｓｏｎａｂｌｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｉｓｐｒｏｖｉｄｅｄｔｏｇｕｉｄｅｓｐｏｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　　ｂａｓｅｓｌａｂ；　　ｈｅａｔｏｆｈｙｄｒａｔｉｏｎ；　ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ；　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　　１引言近些年来，随着工程技术水平的不断提高，大体积混凝土结构在桥梁工程建设中不断涌现。但水泥水化会产生大量热量，而混凝土材料具有绝热特性，这使得混凝土内部会因为热量不能及时散发产生温度应力，当应力过大时随之导致结构裂缝的出现，由此产生了一系列大体积混凝土水化热的控制问题，水化热控制不到位会对结构的耐久性、防水性能甚至承载力造成较大影响。因此，在大体积混凝土施工控制过程中，首先要准确模拟分析并掌握混凝土内部的温度分布规律［　１－３］。　２工程概况碾子坪特大桥位于厦蓉高速贵州境内，主桥为　　　　　１０２ｍ＋１９０ｍ＋１０２ｍ　预应力混凝土连续刚构桥（见图　１），墩高达　　１１０ｍ，最大墩高　　１１４ｍ。主墩承台尺寸长　×宽　×高　　　＝２６．５ｍ×　　１９．５ｍ×　５．０ｍ，Ｃ３０混凝土方量为　　　２５８３．７５ｍ３，采用一次浇筑，属大体积混凝土［４］，需要考虑水化热引起的温度应力，对结构进行温度场仿真计算并对温度进行监测是很有必要的。　３计算模型的建立及施工过程模拟　　３．１材料及热特性值承台混凝土冷却水管均采用涵　４５ｍｍ　的薄壁钢管，按照图纸分　４　层铺设，冷却管流水量取　　２ｍ３／ｈ，冷却水温取　℃２０，通水时间为　　１５ｄ，混凝土入模温９０１铁道建筑技术　　　　　ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１４　（９）·桥涵工程·度取　℃２０，普通硅酸盐水泥的用量为　２８５ｋｇ／ｍ３，承台混凝土标号为　Ｃ３０，材料热特性值见表　１。图　　　１碾子坪特大桥立面图　表　　　１材料热特性值　　　　部位物理特性　　　　　　承台混凝土基岩最终弹性模量／ＭＰａ　３．０×１０４　２．０×１０４弹性模量变化系数０．５、０．７８线膨胀系数／（×１０－５·℃－１）１１泊松比０．２０．２比重／（×１０３ｋｇ·ｍ－３）２．５２．０导热系数／（ｋＪ·（ｍ·ｈ·℃）－１）９．６６７．１４比热／（ｋＪ·（ｋｇ·℃）－１）　１．０５０．６３绝热温升℃／４５．５绝热温升参数０．９、０．６　３．２模型的建立采用　　ＭＩＤＡＳ－ＣＩＶＩＬ　有限元设分析软件对承台的水化热进行仿真计算分析，模型建立充分考虑专项施工方案及试验数据参数，有限元模型如图　２。图　　２承台有限元模型　　３．３冷却水管降温过程的模拟模型计算了有冷却条件下的施工期温度场，根据冷却水管的冷却水温、冷却水通水流量等参数设置了　４　个不同的方案，然后对其计算结果进行分析。即按照表　２　的相应方案进行模拟分析（其中△代表选用此参数）。因为施工阶段是　１１　月上旬至　１２　月上旬左右，取环境温度为　　℃１８。一般来说，冷却水在混凝土温度在达到峰值之前不宜用循环水，但考虑到承台附近没有水源，冷却水需要从拌和站运来，难免因为交通不便等因素导致水源不足，使用循环水不可避免，所以冷却水水温选择　　℃２０和　　℃３０两种工况模拟。通水的流量选择　　２ｍ３／ｈ　和　　３ｍ３／ｈ　两种工况模拟，另外，通水时间为　　１５ｄ，入模温度为　　℃２０，冷却管间距和进出水口完全跟设计图纸一致。表　　２方案分类方案冷却水水温℃／２０３０通水流量／（ｍ３·ｈ－１）２３１△△２△△３△△４△△　３．４计算结果各工况（方案）温度峰值时的温度场云图和温度特征值如图　３　和表　３　所示。表　　３温度特性值方案冷却水水温℃／通水流量／（ｍ３·ｈ－１）最高温度℃／最高温度出现时间／ｈ最大温升℃／最大内外温差℃／１２０２５３．５５８３３．５２０．０２３０２５８．１６４３８．１１８．８３２０３５２．９５２３２．９　２１．２４３０３５７．３５８３７．３１９．１　　从温度场云图可看出，承台最高温度的出现时间，发生在混凝土浇筑完毕后的　　２ｄ　左右，然后混凝土内部的温度由于冷却管吸收的热量大于混凝土产生的水化热而逐渐降低；从表３　模拟计算数据可以看出，对混凝土内部温度峰值影响最大的是冷却水水温，冷却水的流量对温度峰值影响较小。另外各方案的变化对混凝土内外温差的影响较小，且各方案数据显示内外温差均小于　　℃２５，满足规范［１］要求。　４温度测试　　４．１测试方案（１）测试元件布置温度监测点的布置主要是以真实反映混凝土块体的内外温差、降温速度及环境温度为原则。根据理论模型计算结果，并考虑承台为双对称结构，确定将测点在立面上分　５　层布置，平面上沿对称线、对角线布置，传感器测点共计　１２５　个，各层温度传感器布置如图　４　所示。０１１铁道建筑技术　　　　　ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１４　（９）·桥涵工程·图　　３各方案下温度场云图　　　（２）测试方法承台温度控制的监测周期为从混凝土浇筑开始至浇筑完成后持续　　１５ｄ。采集的温度数据有混凝土的内、表面温度，冷却水管进、出水口的温度和大气温度。浇筑完成后的前　　７２ｈ，采取高密度监测，监测周期每　２ｈ　一次；温度上升到峰值后，监测周期调整为每　　４ｈ　一次；温度下降均匀后，监测周期每　　１２ｈ　一次。　４．２测试结果及分析表　４　为　７＃墩承台混凝土温度采集数据情况，图５、图　６　分别为各层断面平均温度和内表温差的发展变化情况。（１）从表　４　来看，　７＃墩承台浇筑入模温度为　　℃１８．５～１９．７，混凝土内部最高温度为　　℃５８．２，最大水化热升温为　　℃３８．１，与模拟计算中的方案　２　较为接近。图　　４温度传感器布置（单位：ｃｍ）图　　５各层断面平均温度变化曲线　表　　４温度采集数据测点区域区域最高温度℃／最高温度出现时间／ｈ断面平均温度℃／断面最大内表温差℃／入仓温度℃／平均进水温度℃／Ｃ１４６．６１３８　４１．０　１５．７１９．５Ｃ２５８．０１３８　　５１．３１６．４１９．７Ｃ３５８．２１６８　　５１．９１７．０１８．７Ｃ４５５．９１６４５０．２１７．７１８．８Ｃ５４９．３１６０　４１．７９．９１８．５３２．５图　　６各层断面内表温差变化曲线　　　（２）从图５　可看出，温度的变化有２　个阶段，第一阶段温度急剧上升，第二阶段，温度缓慢下降，升温速率远高于降温速率，２　周后温度趋于稳定；承台内温度在浇筑完成后　　　２～３ｄ　后达到最大值，中心最高温比表面最高温度高　℃９左右，承台底层的温度最低。（３）从图　６　可看出，混凝土浇筑后短时间内内部、表层的温差迅速攀升，随后在冷却水和保温养“”护作用下趋于平稳或者减小，这说明内降外保的策略在温度控制中效果显著。　５结论（１）依照实际水化热施工控制方案及承台内部通水冷却作用，确定符合实际情况的多种方案，将大体积混凝土承台施工期的温度场利用　Ｍｉｄａｓ／Ｃｉｖｉｌ　建立模型进行模拟计算，通过计算结果比对分析，发现结果吻合较好，表明本文采用的仿真分析方法能较好（下转第　１２６　页）１１１铁道建筑技术　　　　　ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１４　（９）·其　他·性需求之比为　　２．２～５．５，剪力墙曲率延性需求与结构最大层间位移延性需求之比为　　１．０～４．５。图　　１０数值结果与公式拟合结果的比较　（２）地震加速度峰值是影响框剪结构架柱、剪力墙等构件曲率延性需求和结构位移延性需求的重要因素，随加速度峰值增加，柱和剪力墙的曲率延性需求和结构层间位移延性需求增加。（３）结构弯剪比例对框架柱和剪力墙曲率延性需求以及结构层间位移延性需求有显著影响，且对两者之间延性需求关系影响较大。剪力墙曲率延性需求随弯剪比例系数增加而减小，而框架柱和结构层间位移延性需求随弯剪比例系数增加而增加。参考文献［１　］　　　　　　　ＥｕｒｏｐｅａｎＣｏｍｍｉｔｔｅｅｆｏｒＳｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ．Ｅｕｒｏｃｏｄｅ８：ｄｅ桥　　　　　ｓｉｇｎｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｆｏｒｅａｒｔｈｑｕａｋｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｐａｒｔ１：ｇｅｎｅｒａｌｒｕｌｅｓ，　　　　　ｓｅｉｓｍｉｃａｃｔｉｏｎｓａｎｄｒｕｌｅｓｆｏｒｂｕｉｌｄｉｎｇｓ　［Ｓ　］．Ｂｒｕｓ桥ｓｅｌｓ：　　　ＥｕｒｏｐｅａｎＣｏｍｍｉｔｔｅｅｆｏｒＳｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ，２００５．［２　］　　　ＣｏｓｅｎｚａＥ，ＭａｎｆｒｅｄｉＧ．Ｄａｍａｇｅｉｎｄｉｃｅｓ　ａｎｄｄａｍａｇｅｍｅａｓｕｒｅｓ　［Ｊ］．Ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｉｎＳｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０００，２（１）：　５０－５９．［３］　　ＢｉｏｎｄｉｎｉＦ，ＴｏｎｉｏｌｏＧ．Ｓｅｉｓｍｉｃｂｅｈａｖｉｏｒｓ　ｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅｆｒａｍｅｓ：　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎｄａｎａｌｙｔｉｃａｌｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆ　　　　Ｅｕｒｏｃｏｄｅ８ｄｅｓｉｇｎｒｕｌｅｓ　［Ｃ　］　　　．ＦｉｂＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＣｏｎｃｒｅｔｅ　　　　　　ＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓｉｎＳｅｉｓｍｉｃＲｅｇｉｏｎｓ．Ａｔｈｅｎｓ：　’×℃△“×”℃∥×”△ ·　　ｅｒａｔｉｏｎｆｏｒＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＣｏｎｃｒｅｔｅ，２００３：　１－１２．［４］　　　ＫｕｎｎａｔｈＳＫ，　　　　ＫａｌｋａｎＥ．Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｓｅｉｓｍｉｃｄｅｆｏｒｍａ桥　ｔｉｏｎｄｅｍａｎｄｓ　ｕｓｉｎｇｎｏｎｌｉｎｅａｒ桥ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ　ｉｎｍｕｌｔｉｓｔｏｒｙｓｔｅｅｌ　　ａｎｄｃｏｎｃｒｅｔｅｍｏｍｅｎｔｆｒａｍｅｓ　［Ｊ］　．ＩＳＥＴＪｏｕｒｎａｌｏｆ　ＥａｒｔｈｑｕａｋｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００４，４１　（１　）：　　１５９－１８１．［５］　　ＬｕＹ，　ＨａｏＨ，　　ＣａｒｙｄｉｓＰＧ，ｅｔ　ａｌ．Ｓｅｉｓｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　　　　　　ｏｆＲＣｆｒａｍｅｓｄｅｓｉｇｎｅｄｆｏｒｔｈｒｅｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｄｕｃｔｉｌｉｔｙｌｅｖｅｌｓ［Ｊ］　．ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２００１　，２３（５）：　５３７－５４７．［６］　　　　　ＧｉｏｎｃｕＶ．Ｄｕｃｔｉｌｉｔｙｃｒｉｔｅｒｉａｆｏｒｓｔｅｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｌＳｔｅｅｌＲｅｓｅａｒｃｈ，１９９８，４６（３）：　４４３－４４８．［７］　　ＢｏｊｏｒｑｕｅｚＥ，　　ＤｉａｚＭＡ，　　ＲｕｉｚＳＥ，　　ｅｔａｌ．Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｂｅ桥　ｔｗｅｅｎｌｏｃａｌ　ａｎｄｇｌｏｂａｌ　ｃｙｃｌｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　　ｃａｐａｃｉｔｙｏｆＳＭＲｆｒａｍｅｓ　［Ｃ］．Ｆｉｒｓｔ　　　ＥｕｒｏｐｅａｎＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＥａｒｔｈｑｕａｋｅ　　ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＳｅｉｓｍｏｌｏｇｙ．Ｇｅｎｅｖａ：　ＥｕｒｏｐｅａｎＡｓｓｏｃｉａ桥　　　ｔｉｏｎｏｆＥａｒｔｈｑｕａｋｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００６．［８］　　　ＬｅｅＤＧ，　　ＳｏｎｇＪＫ，　　　　ＹｕｎＣＢ．Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｏｆｓｙｓｔｅｍｌｅｖｅｌ　ｄｕｃｔｉｌｉｔｙｄｅｍａｎｄｓｆｏｒ　ｍｕｌｔｉｓｔｏｒｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ桥［Ｊ］．Ｅｎｇｉ桥　ｎｅｅｒｉｎｇＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，１９９７，１９（１２）：　１０２５－１０３５．［９］　赵艳静，陈云霞，于顺泉．钢筋混凝土异形截面框架柱轴压比限值的研究［Ｊ］．天津大学学报，２００４，３７（７）：　６００－６０４．［１０］周靖，方小丹．混凝土框架结构位移延性与柱曲率延性关系［Ｊ］．重庆大学学报，２０１２，３５（１）：　９９－１０５．［１１］周靖，方小丹．多层结构局部延性与整体延性需求关系解析［Ｊ］．华南理工大学学报，２０１１，３９（１２）：　１３２－１３７．［１２］　Ｓｅｉｓｍｏｍａｔｃｈ，　　　　ｓｏｆｔｗａｒｅｆｏｒａｄｊｕｓｔｉｎｇｅａｒｔｈｑｕａｋｅａｃｃｅｌｅｒｏ桥　　　　　　　ｇｒａｍｓｔｏｍａｔｃｈａｓｐｅｃｉｆｉｃｔａｒｇｅｔｒｅｓｐｏｎｓｅｓｐｅｃｔｒｕｍ　［ＣＰ］ｈｔｔｐ：∥ｗｗｗ．ｓｅｉｓｍｏｓｏｆｔ．ｃｏｍ．［１３］　　　　　ＬＩＫｕａｎｇｎｉｎｇ．Ｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｎｏｎｌｉｎｅａｒｓｔａｔｉｃ／ｄｙｎａｍｉｃ桥ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌａｎａｌｙｓｉｓｃｏｍｐｕｔｅｒｐｒｏｇｒａｍｕｓｅｒｓ桥　’　ｍａｎｕａｌａｎｄ　ｄａｔａｉｎｐｕｔｍａｎｕａｌ桥　　ｏｆｃａｎｎｙ２０１０　［Ｍ］．Ｖａｎｃｏｕｖｅｒ，檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪２０１０．　　（上接第　１１１　页）地预测水化热的实际发展规律，为温度控制提供了指导，可为同类工程仿真分析提供参考。（２）应用冷却水管降温效果良好，同时控制好冷却水的进水温度很有必要，建议在混凝土内部温度未达到峰值前不要采用循环水。通过实测结果看出，最高温度及最大温差均处于合理范围内。（３）通过前期的仿真计算和施工中的温度控制，防止了承台结构性裂缝的产生，达到了预期的温控效果，保证了工程质量，并为后续工程的施工提供了保障。参考文献［１］　闫松涛，周世军，魏庆朝．大体积混凝土承台施工期温　控仿真分析研究［Ｊ］．铁道科学与工程学报，２０１１（１０）：５２．［２］　宋群国，杨雅勋，孙磊．桥梁承台大体积混凝土施工温度控制［Ｊ］．公路交通科技：应用技术版，２０１１（１０）：　７２－７３．［３］　侯景鹏，熊杰，袁勇．大体积混凝土温度控制与现场监测［Ｊ］．混凝土，２００４（５）：５７．［４］　中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国质量监督检验检疫总局　　　．ＧＢ５０４９６－２００９大体积混凝土施工规范［Ｓ］．北京：中国计划出版社，２００９：６．６２１铁道建筑技术　　　　　ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１４　（９）