高寒高海拔地区箱梁0+1号块混凝土冬季水化热实测分析
大跨连续刚构桥箱梁0号块和2个1号块常采用托架现浇一起施工。箱梁0号块底板、腹板和横隔板厚度较大, 属于大体积混凝土构件。由于常采用高强度混凝土 (C50及以上) , 水泥用量较大。在水泥硬化过程中, 水化热释放比较集中, 内部升温较快。因混凝土内部和表面的散热条件不同, 导致混凝土内部温度高、表面温度低, 形成内外较大温差, 造成温度变形和温度应力, 当温度应力超过混凝土抗拉强度时, 就会产生裂缝。
青藏高原地区具有昼夜温差大、年均气温低和冬季高寒等气候特点。对于冬季浇筑的大体积混凝土, 外界高寒的气温易于加剧内外温差, 如果养护不当, 混凝土质量难以保证。但目前这方面的研究较少。
为了研究该地区冬季施工大体积混凝土水化热的特点, 本文以青海省某大跨连续刚构桥为背景工程, 现场实测了箱梁0+1号块混凝土浇筑后7d内的水化热温度场发展规律, 然后借助水泥生热率测试曲线, 进行了水化热有限元仿真计算, 将温度场计算结果与实测结果进行了对比分析, 并给出了养护建议, 可为同类桥梁提供参考。
1 工程概况
青海省某连续刚构桥地处青藏高原腹地, 跨径布置为 (75+2×125+75) m, 上部结构为4跨预应力混凝土变截面箱梁, 下部为薄壁矩形桥墩, 群桩基础, 桥台采用桩柱式, 如图1所示。
图1 桥型布置及温度测试断面位置 (单位:cm) Fig.1 Bridge overall layout and the location of temperature measuring section (unit:cm)
上部箱梁采用单箱单室, 纵、横、竖三向预应力体系。箱梁根部梁高6.0m, 跨中梁高2.8m, 箱梁高度从距墩中心3.75m处到跨中合龙段处按1.8次抛物线变化。箱梁顶宽12m, 底板宽6.5m, 翼缘板悬臂长为2.75m。箱梁0号块长度为7.5m, 顶板厚为0.4m, 腹板厚0.9~1m, 底板厚1~1.2m, 有2个厚度为1.5m的横隔板, 分别与桥墩的两肢对应, 如图2所示。
图2 箱梁0+1号块立面和平面 (单位:cm) Fig.2 Elevation and plan of box girder No.0+No.1 block (unit:cm)
箱梁采用C50混凝土, 材料用量 (kg/m3) :水泥∶砂子∶碎石∶水∶外加剂=485∶673∶1 117∶165∶7.3, 水灰比为0.34, 砂率为35%。
0号块和2个1号块总长12m, 在墩旁托架上一起现浇施工, 分2次浇筑:底板混凝土浇筑时间为2013年10月12日;腹板和顶板混凝土浇筑时间是2013年12月3日, 最低气温为-9℃。箱外采用钢模板、箱内采用木模板。腹板和顶板采用的养护措施是:箱外包裹土工布和帆布;箱内升火炉, 温度≥20℃。箱梁其余节段采用挂篮悬臂现浇法施工。
2 温度测点布置
温度测试断面与中墩顶部中心的距离为5.5m, 如图1所示。在该断面布置16个温度传感器, 排成2 列, 从上到下依次编号为1~8, 其中1~7号位于腹板内, 8号位于底板内, 如图3所示。
图3 温度测点布置 (单位:cm) Fig.3 Layout of temperature measuring points (unit:cm)
温度传感器为BGK-3700型振弦式传感器, 并配套VW-403C型测试仪。在0号块和1号块的腹板和顶板混凝土浇筑后对箱梁温度16个测点进行全天候24h监测。混凝土浇筑后72h内每2h测试1次, 后期72~168h内每4h测试1次。
3 水泥生热率测试
为了得到准确的水泥生热率, 采用溶解热法在东南大学材料实验室测试了168h的水泥生热率, 如图4所示。试验中水泥试样均为实际工程使用材料。水泥生热率曲线为水化热温度场的有限元分析奠定了基础。
图4 水泥生热率实测曲线Fig.4 The tested curve of cement heat production rate
4 有限元模型
利用ANSYS软件建立实体有限元模型, 如图5所示。模型中准确地模拟了0+1号块的顶板、腹板、横隔板、过人洞、倒角、底板和部分桥墩等。单元类型选用Solid70, 共计有80 706个单元和19 019个结点。混凝土导热系数K=6 500J/ (m·h·℃) , 比热容C=985J/ (kg·℃) , 密度ρ=2 400kg/m3。
图6 水化热温度计算值与实测值对比Fig.6 Comparison between calculated hydration heat temperature and measured ones
图5 箱梁0+1号块有限元模型Fig.5 Finite element model of box girder No.0+No.1 block
在腹板和顶板各节点上施加水化热生热率, 在模型表面结点上赋予对流放热系数和空气温度。以2h为时间步, 计算获得了168h的水化热温度场发展规律。
5 实测与计算结果对比分析
图6所示为16个测点的温度计算值与实测值对比情况。从图6可知, 混凝土水化热的发展趋势计算值与实测值基本吻合, 且水化热峰值出现时间和大小大致相同, 说明有限元仿真精度较高, 可以较好地模拟混凝土水化热全过程。
混凝土水化热温度随着混凝土龄期的发展经历了上升段和下降段, 而且上升段曲线斜率明显大于下降段。上升段和下降段之间的分界点是相应测点的温度峰值。测点1~7在混凝土浇筑20h左右达到温度峰值, 在160h左右水化热温度衰减至接近外界气温。
同一截面上不同测点的峰值温度是不一样的。位于腹板高度中部的测点4, 5和6的温度峰值接近90℃, 远高于其他测点。这是因为测点1, 2和3靠近顶板上表面, 空气对流较明显, 受环境温度的影响较大;测点7处新浇混凝土较薄, 水化热较少。
测点8温度变化平缓, 因为它位于底板内, 测试时底板混凝土水化反应已结束。也说明腹板和顶板混凝土的浇筑对底板温度没有产生较大的影响, 温度“倒灌”现象不明显。另外, 腹板和横隔板的中下部温度较高, 需作为养护的重点关注部位。
6 结语
1) 箱梁混凝土水化热温度场的有限元计算结果与实测值基本吻合, 且水化热峰值出现时间和大小大致相同。说明借助于水泥生热率测试值, 有限元方法可以较好地模拟混凝土水化热过程。
2) 混凝土水化热温度随着混凝土龄期的发展经历了上升段和下降段, 而且上升段曲线比下降段陡。混凝土温度在浇筑20h左右达到峰值, 在160h左右衰减至接近外界气温。
3) 腹板和横隔板的中下部温度较高, 需作为养护的重点关注部位。
4) 对于较早浇筑的底板混凝土, 受腹板和顶板混凝土水化热的影响较小。
5) 高寒地区冬季混凝土养护建议:箱外包裹土工布和帆布, 箱内升火炉, 温度≥20℃;带模养护, 即延长拆模时间, 避免混凝土过早暴露于自然环境下。
参考文献
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