南京长江第五大桥大体积混凝土温度裂缝智能控制技术研究

作者:康学云 徐文冰 郭佳嘉 张思
单位:中交二航局第四工程有限公司 中交武汉港湾工程设计研究院有限公司 长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室 海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室
摘要:以南京长江第五大桥中塔承台大体积混凝土结构为典型构件,开展低温季节大体积混凝土温度裂缝智能控制技术的研究,结合现场实际施工条件因素,通过MIDAS有限元仿真计算分析了承台混凝土内部温度场,同时分析了内部应力场的分布情况,根据仿真计算结果制定了承台各层在不同龄期的温控措施。运用混凝土温度智能监控系统进行温度数据采集、分析及预警,通过冷却水管智能控制程序精准控制降温速率。监控结果显示混凝土各项温控指标均在标准之内,现场结构并未出现明显裂缝,有效控制了大体积混凝土结构的施工质量。
关键词:桥梁工程斜拉桥大体积混凝土裂缝有限元分析智能监控
作者简介:康学云,高级工程师,E-mail:kangxy@vip.qq.com。
基金: -页码-:24-27,84

0 引言

   南京长江第五大桥(即“南京五桥”)是南京“高快速路系统”中绕城公路的重要组成部分,起于浦口五里桥,跨越长江经梅子洲下穿夹江后顺接南岸已建成的青奥轴线地下工程(隧道工程),路线全长约10.3km。跨江大桥全长1.796km,采用纵向钻石型钢壳混凝土索塔、中央双索面三塔斜拉桥,中塔塔高177.2m、边塔塔高169.7m,主桥总体布置跨径(80+218+2×600+218+80)m。大桥中塔承台属于大体积混凝土,中心部分水泥水化产生的热量难以自然传导释放出来,易与表面形成温度差而产生裂缝,缩短承台使用寿命。因此,需对承台混凝土采取合理的温度裂缝控制措施,减少温度裂缝产生,保证结构的服役寿命和使用安全。

   表1 混凝土选用原材料
Table 1 Concrete raw material 

表1 混凝土选用原材料

   本文以南京五桥中塔承台大体积混凝土结构为典型构件,开展大体积混凝土温度裂缝智能控制技术研究。研究首先通过有限元软件对中塔结果进行分析,根据安全系数≥1.4的标准,确定控制温度裂缝的关键指标标准。同时,采用中交武汉港湾工程设计研究院有限公司自主研发的混凝土温度智能监控系统进行现场控制,确定施工过程中各项关键指标在标准范围内。混凝土温度智能监控系统包括无线数据收集、数据处理平台、在线平台报警及推送、冷却水管智能控制等功能。与常规的大体积混凝土温度控制流程相比具有实时性好、可靠性好、智能化程度高等特点,能有效提高大体积混凝土温度裂缝控制的技术水平,保障关键大体积混凝土构件的工程质量。

1 原材料及试验方法

   南京五桥中塔承台混凝土所用原材料如表1所示。混凝土配合比为:水泥∶粉煤灰∶矿渣粉∶砂∶碎石∶水∶减水剂=166∶129∶74∶789∶1 089∶133∶3.95。

2 结构有限元模型及仿真计算

2.1 结构有限元模型

   南京五桥中塔承台最大平面尺寸为半径43m圆形,厚8m,分2m+3.4m+2.6m 3层浇筑,封底厚度为1.8m。根据中塔承台结构的对称性,取中塔承台混凝土1/4进行有限元模型建立,模型剖分如图1所示。

图1 中塔承台1/4网格划分及主要约束(附带封底混凝土)

   图1 中塔承台1/4网格划分及主要约束(附带封底混凝土)  

   Fig.1 Mesh and boundary conditions of 1/4 middle tower cap model(including sub-sealing concrete)

2.2 中塔承台仿真计算

2.2.1 仿真计算边界条件

   1)承台混凝土强度等级为C35,桩基及封底混凝土对承台存在约束作用,其约束弹性模量取值为2.5×104MPa。

   2)承台混凝土冬季浇筑,根据气候条件和施工规范,入模温度按5℃≤T≤13℃控制,平均风速取值3.7m/s。

   3)承台模板选用钢模板,钢模板导热系数大,保温效果差,因此承台侧面以及上表面对流换热系数均取值1 200kJ/(m2·d·℃)。

   4)承台内部降温采用铺设冷却水管,采用导热性能良好的40×2.5铁皮管;水管水平间距1.0m、竖直间距1.0m,距混凝土表面/侧面为80cm,共布置7层,每套管长≤150m。

2.2.2 仿真计算温度结果

   按以上设定工况进行仿真计算,南京五桥中塔承台混凝土最高温度包络图如图2所示,混凝土内部温峰为43.5℃,出现在浇筑结束后的第3天。从温度场包络图中可看出,承台中心部分温度最高,这是因为大体积混凝土内部热量难以通过自然传导的方式释放,而是依靠布置的冷却水管,以水为介质带走混凝土内部热量,达到降低大体积混凝土中心温度的目的,缩小内表温差,减少裂缝产生。依据最高温度包络图,优化了承台中心高温区的水管布置。温峰出现前,应加强冷却水流量,而在降温期通过调整流量大小控制降温速率。整个混凝土温度控制监测阶段,表面应做好保温工作。

图2 中塔承台内部最高温度包络图(单位:℃)

   图2 中塔承台内部最高温度包络图(单位:℃) 

   Fig.2 Envelope diagram of the maximum temperature in middle tower cap(unit:℃)

2.2.3 仿真计算应力结果

   南京五桥中塔承台温度应力场分布如图3所示(以第2层为例,第1层和第3层类似),应力计算结果如表2所示。由表2可看出,在升温阶段,由于热胀冷缩混凝土在各方向上均出现膨胀变形。混凝土表面和内部变形程度不同,表面表现为拉应力,而内部表现为压应力。仿真计算结果显示承台早期(3d,7d)温度应力在上表面及侧面中部较大,而在边缘处较小。温峰过后,混凝土进入降温期,开始收缩变形,混凝土表面中部的拉应力逐渐向内部传递,此时表面表现为压应力,而内部表现为拉应力。由此可见,早期裂缝一般为浅表处的裂缝,危害较小,而后期开裂可能为混凝土内部的深层裂缝,危害较大。

图3 中塔承台第2层混凝土温度应力包络图

   图3 中塔承台第2层混凝土温度应力包络图  

   Fig.3 Envelope diagram of thermal stress of the second layer concrete in middle tower cap

2.3 温控标准

   依据各浇筑层的应力计算结果,提出各层混凝土在不同龄期时的温控要求。

   1)承台混凝土第2及第3层7d抗裂安全系数均偏小,开裂风险较大,此阶段需采取措施严格控制内表温差,同时在降温期减小混凝土内部温度的降温速率,延长降温过程,从而充分发挥混凝土自身徐变作用,减少混凝土收缩。

   2)中塔承台后期最小抗裂安全系数相对较高,但后期裂缝危害性大,混凝土终凝后应及时进行保温、保湿养护,并保证充足的养护时间,以避免混凝土表面出现干缩裂缝和有害温度裂缝。

   3)混凝土浇筑间隔为20d,应适当缩短浇筑间隔期,以改善新老混凝土层间的约束情况,降低混凝土开裂风险。

   根据工程的实际情况,对南京五桥中塔承台制定温控标准:浇筑温度为5℃≤T≤13℃,内部最高温度≤44,内表温差≤25℃,冷却水进出水温差≤10℃,平均降温速率≤2.0℃/d。

3 混凝土温度智能监控系统

   混凝土温度智能监控系统主要包括无线数据收集、数据处理平台、在线平台报警及推送、冷却水管智能控制等功能。系统运行流程如图4所示。系统采用自主研发的HWDAC无线数据采集系统采集现场实时数据,并通过GPRS信号传输至网络平台,在网络平台利用软件程序对监控数据进行处理分析,关键处理结果及数据通过微信小程序向施工方和业主进行推送,还可根据处理结果发送调整信号自动控制冷却水管不同管路的流量,达到控制混凝土内部温度的效果。

图4 混凝土温度智能监控系统控制流程

   图4 混凝土温度智能监控系统控制流程  

   Fig.4 Control process of intelligent concrete temperature monitoring system

3.1 无线数据采集装置

   项目采用自主研发的HWDAC无线数据采集系统来对所浇筑的混凝土进行温度应力智能无线监控。该系统使用单点式通信,每个测点均配备单独的电源及信号发射装置,使用433MHz无线频段通信,采用GFSK/2FSK编码调制方式,具有软件和硬件两级校验,完全杜绝数据乱码。同时,433MHz频段波长较WIFI或蓝牙的2.4GHz/5GHz频段长,具有较好的绕射能力和穿墙能力,很适合在施工过程中使用。现场测点数据统一传输至DTU数据接收器中,DTU由内置的手机卡通过GPRS信号传输至系统平台。

   表2 中塔承台温度应力场结果
Table 2 Results of thermal stress field in middle tower cap  

表2 中塔承台温度应力场结果

3.2 数据自动分析处理及预警平台

   监控平台是服务于现场采集设备与使用用户间的桥梁。平台采用多层架构方案,结合数据库技术,后端为数据存储层,采用MySQL数据库。整体系统采用B/S架构,开发语言服务器后端采用C#开发。云平台与采集设备及流量控制设备均通过DTU进行通信,采用基于TCP的MODBUS通信协议。

   监控平台还具有数据自动分析处理及预警功能。根据预先设定的数据处理逻辑,平台对收集的现场实时数据进行处理,并在手机端及PC端页面进行实时数据展示,包括关键指标及处理表格。根据项目业主要求还可定时推送标准格式报表。若得出关键参数达到预先设定预警值(根据温控标准适当严格设定)即可通过手机短信及展示数据闪烁的模式向预先设定人员报警,并自动调出调整建议。

3.3 冷却水管智能控制设备

   冷却水管主要作用是降低混凝土内部最高温度,减小内外温差。但是现场冷却水管目前主要通过人工进行控制,控制的实效性和准确性都受到现场人员素质的制约。通过本系统配置的冷却水管智能控制设备,能精准有效地根据混凝土内部温度及冷却水管进出水温度监控结果进行智能分析,根据接收到的控制信息,智能控制加热元器件的开闭以及电子调节阀门的开启挡位,能精准控制混凝土内部温度的降温幅度,满足温控标准,即降温幅度<2℃/d的要求(见图5)。

图5 冷却水管智能控制设备流程

   图5 冷却水管智能控制设备流程  

   Fig.5 Control process of cooling pipe intelligent monitoring system

4 监控结果与分析

4.1 监控结果

   中塔承台第2层混凝土温度监测数据(以第2层为例)为:入模温度11.2~13.1℃,最高温度42.5℃,最高温度出现时间80h,最大内表温差22.7℃(最高温度出现时间从各层传感器与混凝土接触时间起算)。中塔承台第2层混凝土内部温度特征值历时曲线如图6所示。混凝土入模温度为11.2~13.1℃,满足温控方案入模温度5℃≤T≤13℃的要求;混凝土内部温度升温缓慢,最高温度为42.5℃,符合温控方案≤44℃的要求;截至温控结束时混凝土最大内表温差为22.7℃,符合温控方案≤25℃的要求。

图6 中塔承台第2层温度特征值历时曲线

   图6 中塔承台第2层温度特征值历时曲线  

   Fig.6 Diachronic curves of temperature characteristic values of the second layer concrete in middle tower cap

4.2 结果分析

   1)内部温度变化规律由图6可看出,承台混凝土中心最高温度在初期迅速上升,达到温峰后缓慢下降。混凝土浇筑后(20~60h)水泥水化产生的热量远大于冷却水管的降温效率,此时温度快速上升。随后水泥水化放热变小,升温速率逐渐放缓,直至80h时达到温峰。温峰过后(80~110h)降温速率缓慢,主要是由于冷却水带走热量的速率略大于水化热速率;110~140h混凝土降温速率逐渐加快,速率为3.0~3.5℃/d,冷却水于146h停止,停止通水后(150~193h),混凝土内部最高温度有小幅回升,混凝土内部水化速率仍较高,但回升温度值较小,属于正常可控范畴。后期降温渐趋缓慢至1.0~1.5℃/d。

   2)内表温差变化规律混凝土表面点温度随混凝土最高温度不完全同步变化,其上升速率小于内部最高温,混凝土内表温差开始逐渐扩大,截至温控结束时最大内表温差为22.7℃,符合温控方案≤25℃的要求。

   3)表面温度变化规律混凝土表面点温度随混凝土最高温度不完全同步变化,其上升速率小于内部最高温。昼夜温差小,表面与环境温差较小。对于气温影响,表面点温度下降缓慢,截至温控结束时,表面与环境温差8.8℃。

5 结语

   本工程通过对中塔承台大体积混凝土进行有限元模型的建立与仿真计算,制定出大体积混凝土温控的关键参数标准。采用混凝土温度智能监控系统进行现场控制,确定施工过程中各项关键指标在标准范围内。混凝土温度智能监控系统包括无线数据收集、数据处理平台、在线平台报警及推送、冷却水管自动化智能控制等功能。南京五桥中塔承台混凝土浇筑温度、最高温度、内表温差和降温速率均在温控标准要求的范围内。中塔承台未出现有害裂缝,达到了预期的温控目标,与常规的大体积混凝土温度控制流程相比具有实时性好、可靠性好、智能化程度高等特点,能有效提高大体积混凝土温度裂缝控制的技术水平,保障关键大体积混凝土构件的工程质量。

    

参考文献[1]刘沐宇,徐黎明,汪峰,等.广州黄埔大桥承台大体积混凝土温度控制与监测分析[J].华中科技大学学报(城市科学版),2008(1):12-16.
[2]马保国,张平均,张莉,等.微矿粉在大体积混凝土中自催化效应的研究[J].混凝土,2003(9):25-27.
[3]尹洪明,王静.大体积混凝土的温度控制与防裂[J].山西建筑,2008(29):164-165.
[4]万惠文,谢春磊,徐文冰,等.大体积高强混凝土承台的温度控制与监测分析[J].混凝土,2010(9):104-107.
[5]秦宇,张秋信,余毅.平塘特大桥中塔承台大体积混凝土温控技术[J].世界桥梁,2018,46(2):30-34.
[6]王文学,李元兵.斜拉桥桥塔承台大体积混凝土水化热仿真分析与裂缝控制[J].城市道桥与防洪,2018(11):121-125,17-18.
Research on Intelligent Control Technology of Temperature Cracks in Mass Concrete of the Fifth Nanjing Yangtze River Bridge
KANG Xueyun XU Wenbing GUO Jiajia ZHANG Si
(CCCCSHEC Fourth Engineering Co.,Ltd. CCCC Wuhan Harbour Engineering Design and Research Co.,Ltd. Key Laboratory of Large-span Bridge Construction Technology Hubei Key Laboratory of Advanced Materials and Reinforcement Technology Research for Marine Environment Structures)
Abstract: Taking the mass concrete structure of middle tower cap of the Fifth Nanjing Yangtze River Bridge as typical component,this paper studies the intelligent control technology of temperature crack of mass concrete in low temperature season. Combined with the construction conditions,temperature field and thermal stresses of middle tower cap is analyzed by finite element analysis software MIDAS. Based on the analysis results,temperature control measures for every layer of cap at different ages of concrete are formulated. The temperature data acquisition,analysis and early warning are carried out by using the intelligent monitoring system of concrete temperature,and the cooling rate is precisely controlled by the intelligent process of cooling pipe. The monitoring results show that all the temperature control indexes of concrete are within the standard,and there are no obvious cracks in the cap which effectively controls the construction quality of mass concrete structures.
Keywords: bridges; cable stayed bridges; mass concrete; cracks; finite element analysis; intelligent monitoring
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