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某提篮拱桥拱座混凝土水化热仿真与控制技术研究

来源:用户上传      作者:付柳源

  摘要:文章以广西某在建提篮拱桥拱座大体积混凝土为研究对象,利用Midas Fea软件对拱座分层浇筑过程中拱座水化热效应进行模拟,并结合分析结果制定相应的温控技术。同时为了验证其有效性,通过对拱座合理布置监控测点获取实测混凝土结构的水化热变化数据,并进一步将实测数据与仿真模拟结果进行对比分析。结果表明:通过有限元技术仿真大体积混凝土水化热的发生过程,并采取相应的温控措施,能有效保障拱座的温度在容许范围内,具有较强的实际工程意义。
  关键词:桥梁工程;拱座;大体积混凝土;有限元分析;温控技术
  中图分类号:U445.57-A-53-167-3
  0 引言
  在大体积混凝土浇筑施工过程中,由于水泥水化热的产生,使得混凝土结构内外温差较大,产生温度自应力,引起温度裂缝的产生[1-2],从而影响结构的正常使用。同时,拱座是拱式结构的关键部位,是结构设计中必须重点考虑的对象,因此模拟拱座浇筑过程中水化热的产生并采取相关温控措施[3],通过对实体工程合理的监控测点布置获取可靠的水化热变化数据,根据实测数据来控制施工质量显得尤为重要。
  1 工程背景
  该桥位于广西崇左市境内,主桥为跨径360 m的中承式钢管混凝土提篮拱桥,全桥长968.5 m。其主墩基础为扩大基础,基底嵌入完整基岩中,拱座采用C40防水混凝土并分六层进行浇筑,层高分别为3 m+2.5 m+2.5 m+2 m+2 m+3 m。详细构造和混凝土浇筑方量统计如图1和表1所示。
  2 拱座数值仿真分析
  2.1 结构几何模型及参数设置
  利用有限元软件Midas Fea建立本文研究对象[4],如图 2所示。结构通过映射方式生成8节点六面体单元,节点数为56 033个、单元数为51 414个。模型内部考虑三种边界条件:固定约束边界、对流热交换边界、基础固定温度边界。材料参数取值见下页表2和表3。
  2.2 温度场分布情况
  根据有限元计算结果,在未考虑温控措施的情况下,浇筑每一层拱座其整体温度分布情况如图3~8所示。
  拱座施工时正值广西6、7月份,境内天气炎热干燥,假定拱座混凝土的入模温度为28 ℃。经有限元分析计算,拱座第一层混凝土内部中心温度最高达68.6 ℃,拱座第二层混凝土内部中心温度最高达103.8 ℃,拱座第三层混凝土内部中心温度最高达105.1 ℃,拱座第四层混凝土内部中心温度最高达101.6 ℃,拱座第五层混凝土内部中心温度最高达101.1 ℃,拱座第六层混凝土内部中心最高达90.9 ℃。拱座体表比较小,在浇筑过程中,随着混凝土水化热的不断发生,聚集在其内部的热量得不到完全释放,而混凝土表面不断与外界环境进行热量交换,因此导致混凝土中间内部温度高,表面温度较低的现象。由于未采取任何温控措施,浇筑在后一层拱座混凝土时,受到前一层浇筑完成混凝土的影响,热交换趋势更加缓慢,后浇层在方量较大的情况下,内部中心温度愈来愈高。
  3 温控措施
  根据大体积混凝土水化热数值仿真计算结果,并结合大体积混凝土施工技术规范,综合考虑经济合理及现场施工方便等因素,在拱座主体增加冷却管作为温控措施[5-7],冷却管布置如图9所示。在Midas Fea软件中,冷却管通过给对应单元施加荷载的方式体现,其中材料参数如表4所示。
  4 测点监控措施
  4.1 测点布置方式
  充分考虑监测经济合理性,在拱座1/4结构范围内布设温控传感器,由于拱座各部分混凝土浇筑时间上存在差异,在每一拱座浇筑层布设三层传感器,布置方式为每一层上下顶底面5 cm及中心位置处,横向布设根据拱座宽度适时调节,具体如图10~11所示。其中重点监控每一层核心区域处。
  4.2 监测频率
  在拱座浇筑过程中,入模温度的测量,每台班不应少于2次,以实时信息反馈更新拱座数值模型。其中温控数据的监测频率为在1~3 d每4 h一次,3~5 d每2 h一次,5~7 d每4 h一次,共监测7 d。
  5 监测结果与分析
  根据工程拱座各层测点水化热的实际监测结果,与采取温控措施后的数值仿真混凝土理论温度值对比分析,如表5所示。
  由前页表5可知,拱座采取温控措施后的水化热明显大幅度降低,且现场实测数据与水化热仿真结果走势基本趋于一致[8]。个别理论数据与现场实测数据存在一定差异,主要源于现场施工环境温度较高,入模温度难以控制。从总体走势来讲,混凝土的水化热峰值出现在浇筑完成后的前两三天。此后随着混凝土龄期的增长,混凝土的温度逐步降低,满足内部最高温度均<75 ℃,内表温差<25 ℃,在28°入模温度基础上的温升值≤50 ℃的规范要求。
  6 结语
  (1)结合工程实际,分析了拱座温度场的变化规律,并根据数值仿真结果,提出相应的温控措施。通过对比采取温控措施和未采取两种情况表明,布置冷凝管能有效降低大体积混凝土的水化热[9]。同时,拱座实际温度监测结果和理论分析结果规律一致,表明通过对大体积混凝土浇筑过程进行数值仿真计算科学有效。
  (2)由于拱座浇筑体积较大,与外界接触不充分,内部热量交换缓慢,应严格控制混凝土的入模温度,加设防裂钢筋网,并加强后期养护。
  参考文献
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  作者简介:
  付柳源(1994―),助理工程师,主要从事钢管混凝土拱桥施工技术研究工作。

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