超大體積薄壁混凝土二次澆筑施工溫控防限裂技術(shù)

超大體積薄壁混凝土二次澆筑施工溫控防限裂技術(shù)摘要：牤牛河南支渡槽采用C50高性能混凝土，發(fā)熱速度快，發(fā)熱量高。渡槽一旦出現(xiàn)表面裂縫或貫穿性裂縫，將會對其結(jié)構(gòu)的整體性、安全性、抗?jié)B性和耐久性造成很大的影響，因此，必須采取措施控制渡槽混凝土的溫度應(yīng)力，以有效防止裂縫，保證工程質(zhì)量。為之，對該工程大體積混凝土施工溫度控制進(jìn)行了研究，通過本次仿真計(jì)算，遴選不同月份施工時(shí)渡槽混凝土的溫控措施及溫度控制指標(biāo)，以指導(dǎo)施工，達(dá)到渡槽混凝土施工期防裂的目的。關(guān)鍵詞：大體積混凝土；溫度控制；施工方案；數(shù)值分析工程概況1.1南水北調(diào)中線一期牤牛河南支渡槽工程概況1.1.1牤牛河南支渡槽工程概況南水北調(diào)中線一期總干渠漳河北?古運(yùn)河南中線建管局直管工程牤牛河南支渡槽由退水閘、進(jìn)口節(jié)制閘、渡槽、出口檢修閘組成綜合樞紐工程，起點(diǎn)樁號29+304，終點(diǎn)樁號29+728其中：槽身段起點(diǎn)樁號29+386m，終點(diǎn)樁號29+626m，共分8跨，單跨長30m，全長240m。渡槽上部槽身為三槽一聯(lián)帶拉桿預(yù)力鋼筋混凝土梁式矩形槽。槽身寬度24.3m，上部翼緣外側(cè)寬度25.5m。槽身過水?dāng)嗝娉叽?.0m（寬）x6.5m（高）x3槽，槽內(nèi)設(shè)計(jì)水深5.55m，加大水深6.11m，渡槽縱坡i=1/3550。30m跨單槽斷面尺寸為7.0x6.5m，邊墻厚0.6m,頂部設(shè)2.7m寬人行道板；中墻厚0.7m，頂部設(shè)3.0m寬的人行道板。后澆帶設(shè)置在各跨槽身兩端，寬0.58m。槽身現(xiàn)澆混凝土10586.6m3，鋼筋制安906.2t，預(yù)力鋼筋制安383.9t，預(yù)力鋼絞線制安295.5t。其工程量見表1所示。1.1.2牤牛河南支渡槽工程氣象條件牤牛河南支渡槽地處暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨。年平均氣溫13.1°C，年內(nèi)氣溫變化明顯。一月份多年平均氣溫-2.3C，極端最低氣溫為-19C；七月份多年平均氣溫26.5C，極端最高氣溫42.3Co牤牛河南支渡槽地處暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨。年平均氣溫13.1C，年內(nèi)氣溫變化明顯。一月份多年平均氣溫-2.3C，極端最低氣溫為-19C；七月份多年平均氣溫26.5C，極端最高氣溫42.3Co牤牛河南支渡槽施工期溫控?cái)?shù)值模擬牤牛河南支渡槽采用C50高性能混凝土，發(fā)熱速度快，發(fā)熱量高。對于槽身底板、側(cè)墻、縱梁和橫梁等薄壁結(jié)構(gòu)，在澆筑早期容易出現(xiàn)較大的內(nèi)外溫差，導(dǎo)致表面產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，如果此時(shí)再有寒潮出現(xiàn)，極易產(chǎn)生“由外而內(nèi)”的表面裂縫，并可能進(jìn)而發(fā)展成為貫穿性裂縫。渡槽一旦出現(xiàn)表面裂縫或貫穿性裂縫，將會對其結(jié)構(gòu)的整體性、安全性、抗?jié)B性和耐久性造成很大的影響，因此，必須采取措施控制渡槽混凝土的溫度應(yīng)力，以有效防止裂縫，保證工程質(zhì)量。2.1計(jì)算模型計(jì)算整體坐標(biāo)系坐標(biāo)原點(diǎn)位于渡槽端部縱邊梁底部外側(cè)端點(diǎn)以外0.6m處，與邊墻走廊的外側(cè)端點(diǎn)在同一垂線上。x軸正向?yàn)閺目缍肆飨蚩缰蟹较?；y軸為垂直水流方向，正向?yàn)檫厜χ赶蛑袎?；z軸正向?yàn)殂U直向上（整體坐標(biāo)系見圖1所示）。由于對稱，取單跨渡槽的四分之一作為分析對象，計(jì)算模型采用等參8結(jié)點(diǎn)六面體空間單元，共計(jì)劃分9680單元，14451結(jié)點(diǎn)。溫度場計(jì)算中：渡槽對稱面作為絕熱面，施加絕熱邊界條件，其余各面都與空氣接觸，此邊界上存在與空氣的熱對流，屬于熱分析中的第三類邊界條件，在應(yīng)力場仿真計(jì)算時(shí)，考慮到施工過程中，漕身混凝土底面采用滿堂支架支撐。2.2有熱源混凝土結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定溫度場分析原理在渡槽混凝土施工期，由于水泥水化熱的作用，混凝土的溫度將隨時(shí)間而變化。這個(gè)問題為具有內(nèi)部熱源的熱傳導(dǎo)問題。由熱傳導(dǎo)理論，這種不穩(wěn)定溫度場T（x，y，z，T在區(qū)域R內(nèi)應(yīng)滿足下列方程不穩(wěn)定溫度場的熱傳導(dǎo)方程，熱傳導(dǎo)問題等價(jià)于下列泛函的極值問題:用有限單元法求解不穩(wěn)定溫度場有顯式解法和隱式解法兩種方法，兩者的區(qū)別在于對單元區(qū)域內(nèi)泛函（4.1-5）中的處理不同，顯式解法認(rèn)為當(dāng)單元充分小時(shí)，可近似假定在單元內(nèi)均勻分布，而隱式解法令由此導(dǎo)致兩者在時(shí)間域上的差分也不同。顯式解法可根據(jù)未知結(jié)點(diǎn)上一時(shí)刻本身及所有相關(guān)結(jié)點(diǎn)的溫度值直接得到當(dāng)前時(shí)刻的值，而隱式解法需要求解聯(lián)立的線性方程組。因此，本報(bào)告計(jì)算使用的程序米用隱式解法，進(jìn)一步求得：通過對空間不穩(wěn)定溫度場的時(shí)間離散和空間離散，得到大壩不穩(wěn)定溫度場有限元計(jì)算的控制方程：2.3水工混凝土結(jié)構(gòu)溫度場及徐變應(yīng)力場三維計(jì)算程序計(jì)算使用的溫度場及徐變應(yīng)力場三維計(jì)算程序用ansys大型軟件，主要特點(diǎn)為：（1）具有良好的商用有限元分析軟件的數(shù)據(jù)前處理接口。（2）能夠模擬混凝土建筑物的實(shí)際施工過程和運(yùn)行過程，可以考慮混凝土澆筑層數(shù)、計(jì)算網(wǎng)格、邊界條件、材料參數(shù)、絕熱溫升過程都隨計(jì)算時(shí)間的變化。（3）能夠模擬澆筑溫度、水管冷卻（一期冷卻及二期冷卻）、層面流水、越冬面底部加溫等不同溫控措施的影響。（4）仿真計(jì)算過程時(shí)間步長的自動選取。對混凝土澆筑過程的實(shí)時(shí)模擬是仿真分析的重要內(nèi)容。（5）實(shí)現(xiàn)了混凝土建筑物澆筑過程中邊界條件的自動搜索及處理功能。當(dāng)分析結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜時(shí)，較難處理的是伴隨分層澆筑而引起的邊界條件的不斷變化。（6）提供多種單元類型并具有多種求解器，可利用微機(jī)進(jìn)行大體積混凝土結(jié)構(gòu)的仿真分析及一般結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形分析。2.4基本資料及計(jì)算邊界條件2.4.1單跨渡槽的施工情況單跨渡槽的施工情況如下：首先澆筑下層混凝土，包括縱梁、橫梁及底板部分，下層混凝土澆筑到立墻“八”字墻以上60cm，間歇10天內(nèi)澆筑上層混凝土一直至頂。渡槽的可施工期為每年的3月份?11月份，12月份至次年2月份停澆。2.4.2計(jì)算采用的基本資料牤牛河南支渡槽工程安全系數(shù)取1.5。冷卻水管參數(shù)見表5。不同保溫材料參數(shù)表見表6。2.4.3仿真計(jì)算步長及采用的氣溫仿真計(jì)算時(shí)段為開始施工以后30天，計(jì)算過程中采用的氣溫為旬平均氣溫?；炷翝仓?天內(nèi)計(jì)算步長取0.2天，澆筑后5天內(nèi)計(jì)算步長取0.5天，澆筑后30天內(nèi)計(jì)算步長取1天。因?yàn)槎刹劭稍?月份?11月份任何一個(gè)月內(nèi)施工，因此仿真計(jì)算按照每個(gè)可施工月份分別進(jìn)行分析。牤牛河南支渡槽施工期溫控?cái)?shù)值模擬結(jié)果分析3.1計(jì)算成果整理計(jì)算成果的整理以典型點(diǎn)過程線統(tǒng)計(jì)表為主。為了分析渡槽不同部位混凝土內(nèi)部及表面點(diǎn)溫度及應(yīng)力的變化規(guī)律，選取典型點(diǎn)繪制其施工期溫度及應(yīng)力變化過程線。通過上述成果整理形式，可有效總結(jié)不同部位混凝土的溫度及應(yīng)力變化規(guī)律。過程線整理選取有代表性的5個(gè)關(guān)鍵部位10個(gè)節(jié)點(diǎn)：端部縱梁內(nèi)外點(diǎn)：1#內(nèi)部點(diǎn)坐標(biāo)(2.5,8.9,1.7)，2#表面點(diǎn)坐標(biāo)(2.5,9.9,1.7)；橫梁內(nèi)外卜點(diǎn)，3#內(nèi)部點(diǎn)坐標(biāo)(1.23,12.75,1.7)，4#表面點(diǎn)坐標(biāo)(1.58,12.75,1.7)；底板內(nèi)外點(diǎn)，5#內(nèi)部點(diǎn)坐標(biāo)(11.22,5.025,2.1)，6#表面點(diǎn)坐標(biāo)(11.22,5.025,2.3)；側(cè)墻內(nèi)外點(diǎn)，7#內(nèi)部點(diǎn)坐標(biāo)(11.22,8.9,7.55)，8#表面點(diǎn)坐標(biāo)(11.22,9.25,7.55)；靠近側(cè)墻結(jié)合面上部的內(nèi)外點(diǎn)，9#內(nèi)部點(diǎn)坐標(biāo)(11.22,8.9,4.7)，10#表面點(diǎn)坐標(biāo)(11.22,8.55,4.7)。新老混凝土結(jié)合面內(nèi)點(diǎn)，11#內(nèi)部點(diǎn)坐標(biāo)(11.22,8.9,3)o各點(diǎn)所在位置示意圖如圖2、圖3所示。3.2不同月份澆筑的渡槽混凝土溫度及應(yīng)力分析選擇9月為典型月份分析，單跨渡槽在9月份澆筑，假定9月10號澆筑完成下層混凝土，間歇10天后，再澆筑上層混凝土，兩層混凝土澆筑溫度取旬平均氣溫，混凝土外部貼2cm苯板保溫，側(cè)墻和縱梁內(nèi)通冷水管?？v梁、橫梁、側(cè)墻、底板、結(jié)合面混凝土內(nèi)外溫差變化規(guī)律見圖4-圖9所示，具體特征值見表7所示。3.3解決新老混凝土結(jié)合面附近應(yīng)力過大問題的溫控優(yōu)化從3月份?11月份的計(jì)算成果來看，在施工期的不同月份，新老混凝土附近的混凝土均存在順?biāo)鞣较蛩綉?yīng)力ax超標(biāo)現(xiàn)象，超標(biāo)范圍為結(jié)合面以上30cm至2.0m處。因此對3月份?11月份澆筑的渡槽混凝土。解決的方法有兩種：降低混凝土澆筑溫度和通水冷卻。結(jié)合工地現(xiàn)場的條件，降低混凝土的澆筑溫度可能不易實(shí)現(xiàn)，因此主要研究通水冷卻問題。在澆筑第二層混凝土?xí)r，在側(cè)墻內(nèi)部布設(shè)冷卻水管進(jìn)行通水冷卻，從結(jié)合面處向上30cm布置第一層，向上每隔50cm布置一層；冷卻水管采用內(nèi)徑48mm鋼管，壁厚3mm。冷卻水溫度6、7、8月份采用15°C冷水，其他月份采用12°C冷水，冷卻通水時(shí)間3天，每12h調(diào)換一次通水方向。對第二層側(cè)墻混凝土通水以后，從新老混凝土結(jié)合面附近混凝土典型點(diǎn)溫度變化過程線可以看出：3月施工通水后最高溫度只有35.1C；通水后最高溫度出現(xiàn)在澆筑后1.0天。因?yàn)榈诙觽?cè)墻混凝土最高溫度的降低，結(jié)合面附近混凝土后期應(yīng)力有了很大的消減。牤牛河南支渡槽施工期溫控操作工藝流程根據(jù)牤牛河南支渡槽施工期溫控防裂仿真研究結(jié)果和根據(jù)工程要求，渡槽混凝土溫控僅對槽身混凝土展開，混凝土施工期溫控工藝如下。4.1準(zhǔn)備工作鋼模板外貼聚乙烯苯板：為簡化工藝流程和經(jīng)濟(jì)性的考慮，春夏秋冬季均外貼2.0cm厚；布置冷卻管并檢查密封性；為了控制新老混凝土結(jié)合面附近混凝土和縱梁內(nèi)的最高溫度和內(nèi)外溫差，必須在縱梁和每個(gè)隔墻的第二層混凝土中埋設(shè)冷卻水管通水冷卻，從混凝土新老混凝土結(jié)合面向上30cm布置第一層，再向上每隔50cm布置一層。對每個(gè)縱梁和隔墻（邊墻及中墻）布置一根冷卻水管在隔墻的中剖面，采用內(nèi)徑48mm鋼管，壁厚3mm。冷卻水溫度6、7、8月份采用15C冷水，其他月份采用12C冷水，冷卻通水時(shí)間3天，每12h調(diào)換一次通水方向，通水流速不小于1.20m/s?？紤]到在實(shí)際施工時(shí)，上述冷卻水管布置的剖面與預(yù)應(yīng)力管布置的剖面重合，因此可以考慮在隔墻兩側(cè)布置兩根內(nèi)徑34mm鋼管，冷卻水溫度6、7、8月份采用15°C冷水，其他月份采用12°C冷水，冷卻通水時(shí)間3天，每12h調(diào)換一次通水方向，通水流速不小于1.20m/s。通水時(shí)，應(yīng)遵循“先通水后澆筑”的原則。由于C50混凝土前期1?2天內(nèi)發(fā)熱速度很快，發(fā)熱量較高，為了充分利用水管通水削峰的效果，應(yīng)在澆筑混凝土前提前進(jìn)行通水。準(zhǔn)備好冷卻水源、保溫材料、水表、水泵等后續(xù)溫控所需?，F(xiàn)場按每個(gè)通水冷卻工作面配一臺LS100型的制冷機(jī)(41.868x104kJ/h)，水溫按要求控制。拌和用冷卻水也采用LS100型的制冷機(jī)冷卻，以滿足拌制混凝土冷卻水的需求。為了減小施工現(xiàn)場冷卻水的，冷損”，建議采用300m深井井水，用①100mm的PE管埋入地表大于30cm至施工現(xiàn)場，以滿足現(xiàn)場冷卻水的溫度和流量需要。4.2混凝土入倉前混凝土入倉溫度控制在26C。采用人工制冷水拌制混凝土，有關(guān)混凝土入倉前的出機(jī)口溫度和入倉溫度的控制方法請見相關(guān)規(guī)范。仿真分析顯示夏季30C的混凝土入倉溫度對溫差和應(yīng)力水平有一定的影響，在特別困難的情況下不得超過此溫度。4.3澆筑過程要盡可能早地開始通冷卻水，應(yīng)采用“邊澆筑邊通水”的方式，且在開始時(shí)要滿流量、大流速且低水溫的方式通水。同時(shí)，在澆筑過程應(yīng)注意調(diào)整好流量、流速和水溫。4.4澆筑完成（1） 倉面保溫：混凝土澆筑完成后，應(yīng)立即對倉面采用聚乙烯苯板覆蓋，且覆蓋盡量嚴(yán)密，尤其四周不能留有太大空隙，應(yīng)用重物（如磚頭）壓密，避免漏風(fēng)。倉面保溫持續(xù)8d及以上。（2） 初始監(jiān)測和記錄：監(jiān)測和記錄內(nèi)容包括澆筑完成時(shí)間、天氣情況、氣溫、風(fēng)速、水管流量（流速）、水溫、混凝土各測點(diǎn)溫度等數(shù)據(jù)和信息。4.5施工期適時(shí)調(diào)整/改變水管通水過程：（1）在正常情況下，不同季節(jié)水管通水過程見表10-2所示。其中不同季節(jié)冷卻水溫度若采用地下水達(dá)不到要求，則應(yīng)采用制冷水。（1）與溫控指標(biāo)相比，若超過溫控指標(biāo)，則在適當(dāng)時(shí)刻加大通水力度（如降低冷卻水溫、增大流量等，以增大流量為主），若低于溫控指標(biāo)，則應(yīng)適當(dāng)減小通水力度。隔墻持續(xù)時(shí)間3.0d3.0d水溫、流速和流量流速不小于1.20m/s，流量為5.43m3/h，水溫為15°C，每12h調(diào)換一次通水方向。流速不小于1.20m/s，流量為5.43m3/h，水溫為12C，每12h調(diào)換一次通水方向。拆模：拆模時(shí)間根據(jù)施工進(jìn)度和模板周轉(zhuǎn)需求合理確定，但需注意幾點(diǎn)：1）拆模時(shí)間不能過短，過短易出現(xiàn)早期的表面裂縫，夏季不少于3d，冬季不少于6d；2）拆模后應(yīng)盡快用一層毛氈覆蓋，覆蓋7d以上;3）拆模后及時(shí)檢查表面是否開裂，做到邊拆模邊檢查邊覆蓋；4）拆模時(shí)機(jī)選擇在日氣溫的較高時(shí)間段，例如高溫天氣的下午14：00時(shí)附近；5）拆模的定義為松模瞬間，考慮松模到拆掉模板需要較長時(shí)間，而這段時(shí)間的養(yǎng)護(hù)非常關(guān)鍵。掀除表面保溫：為了便于施工，不同結(jié)構(gòu)采用相同保溫力度，具體表面保溫方法見3.4（1）（倉面）和3.5（4）（拆模）。需要指出，在掀除表面保溫后，應(yīng)每隔一段時(shí)間檢查表面開裂情況，并及時(shí)反饋?；诂F(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析表明，施工過程中，通過溫度控制，墻身上部