一种薄壁大体积混凝土减少温度应力的垂直管冷方法与流程

1.本发明涉及一种薄壁大体积混凝土降低水化热、减少温度应力的管冷方法，属于混凝土结构工程领域。


背景技术：

2.各大城市通过修建地铁缓解交通压力和改善城市环境，并促进经济发展，地铁车站建设随处可见。车站底板厚900-1000mm，侧墙厚700-800mm，结构跨度长，混凝土浇筑方量大，属于大体积混凝土施工。大体积混凝土浇筑时会产生大量水化热，水化热导致混凝土构件中心部位比外部边界温度升高快，外表面与环境接触温度相对较低，内外温差引起的不同体积变化使混凝土构件表面产生温度拉应力；水化热达到最大值温度开始下降时混凝土构件中心部位收缩比外部边界快，体积变化不同产生的内部约束使混凝土构件中心部位出现温度拉应力。温度应力与混凝土构件内外温差成正比，温度应力导致混凝土构件中心部位及外表面出现大量温度裂缝。地铁车站侧墙属于薄壁大体积混凝土结构，工程实践经验表明车站侧墙混凝土浇筑时往往会出现大量温度裂缝，这些裂缝的存在不仅会影响到结构安全，在运营期间裂缝引起的地下水渗透同样会影响到运营安全，控制温度裂缝对于提高结构安全性能具有非常重要的意义。
3.以往降低水化热减小温度应力常用的方法有采用低水化热水泥、骨料预冷、管冷等，传统的管冷方法在混凝土中水平安装水管，通过流动的冷却水降低混凝土水化热，这种管冷方法常用于水平的长而宽的混凝土结构，对于大体积混凝土墙等薄壁结构则不适用，现有的采用管冷法降低地铁车站侧墙混凝土水化热通常沿侧墙纵向水平放置水管，这种方法施工不易操作，水管材料消耗大，控制温度应力的效果一般。为了控制薄壁大体积混凝土结构的温度裂缝，这里提供了一种新的垂直的管冷方法。


技术实现要素：

4.本发明提供一种沿地铁车站侧墙高度方向（即z轴方向）垂直放置冷却水管减少温度应力的管冷方法，这种方法施工安装方便，水管材料消耗相对较少，比沿车站侧墙长度方向（即y轴方向）水平放置水管降低水化热更有效。
5.首先利用有限元数值分析方法对车站侧墙大体积混凝土水化热进行仿真模拟，分别按照无冷却水管、冷却水管间距为0.5m、1m、1.5m建立模型，三维有限元分析模型如附图1所示。通过水化热施工阶段模拟计算得到侧墙混凝土养护期间中心部位和外表面的温度分布，以及应力应变变化情况，根据温度分布确定冷却水管布置方案，无冷却水管、冷却水管间距为0.5m、1m、1.5m的工况下水化热达到最大时混凝土温度分布如附图2-5所示。由有限元计算结果可以看出，减小冷却水管间距，混凝土的内外温差逐渐减小，温度分布趋于均匀。考虑到管冷材料经济性和便于施工，水管间距不宜过小，间距取0.8~1m。通常车站采用分段施工，施工段长度为10-20m，侧墙采用c35防水混凝土，抗渗等级为p8。为了控制侧墙大体积混凝土结构的温度裂缝，该方法在侧墙施工期间垂直安装冷却水管，铸铁水管管径
50mm，总管放置在距离底板500mm处，垂直水管间隔一定距离通过带垫圈的弯管与总管相连，侧墙大体积混凝土垂直管冷法水管布置如附图6所示。利用铁丝将冷水管与侧墙钢筋绑扎牢固，防止水管发生较大位移导致混凝土内部产生较大温差。在每个垂直水管的顶端安装排水控制开关，温度为15℃~20℃的冷却水以10l/min的速率通过橡胶管注入总管，通过调节排水控制开关控制冷却水的流量，平顺的水流使温度分布更为均匀，减少混凝土内外温差。由于温度降低过快可能引起拉应力增加，当混凝土降温速率较大时，减小流量间断注入冷却水。冷却水在混凝土内部循环流动降低了混凝土的水化热，减少了侧墙内外温差和体积变形差异，防止侧墙内部出现贯通形的温度裂缝。降温过程结束侧墙混凝土强度形成后向冷却水管内注入水泥浆封堵，水泥浆强度等级不低于混凝土强度等级。
6.为了获取该垂直管冷方法对减小温差、控制温度应力的效果，需要对混凝土温度变化及应力应变变化历程进行监测，传感器定位与安装如附图7所示。无应力计用来测量外部约束产生的无应力条件下的应变，无应力计由应变计和无应力桶组成，由于无应力应变和应力无关，称为应力无关应变。混凝土侧墙中心部位的应力用应力传感器测量，这个应力产生的应变称为应力相关应变。应力相关应变可以由总应变减去应力无关应变得到，总应变由应变传感器测得，应力无关应变可以由无应力计测得，如式（1）所示。
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（1）式中，为应力相关应变，为总应变，为应力无关应变。
8.通常采用有效杨氏模量计算混凝土温度拉应力，有效杨氏模量指考虑徐变条件下刚度折减的杨氏模量，考虑徐变效应的有效杨氏模量的实测值可以通过应力相关应变和混凝土中实测的温度应力之间的比例关系获得，温度应力由应力传感器测得，如式（2）所示。
9.（2）式中，为龄期t的有效杨氏模量，为龄期t的应力相关应变，为龄期t的温度应力。
10.减少温度应力与应力相关应变之间存在的关系为：（3）式中，为未采用管冷方法的有效杨氏模量，为未采用管冷方法的应力相关应变，为未采用管冷方法的混凝土温度应力。
11.通过测量混凝土中的应力相关应变，利用上述公式可以得到该处温度应力的时间历程，即混凝土温度应力在浇筑养护阶段随时间的发展过程，由此可以判断温度应力是否超出了混凝土的抗拉强度，从而采取有效的降低水化热、减少温度应力的措施。通过比较采用垂直管冷方法和未采用该方法的混凝土温度应力，利用公式（3）可以得到采用垂直管冷方法降低水化热引起的温度应力减少值，我们可以获知采用这种垂直管冷方法是否能显著降低温度应力，以及是否能有效控制车站侧墙薄壁大体积混凝土的温度裂缝。
附图说明
12.图1为车站侧墙结构有限元分析模型。
13.图2~图5为无冷却水管、冷却水管间距为0.5m、1m、1.5m时混凝土温度分布。图2无冷却水管时混凝土温度分布、图3冷却水管间距为0.5m时混凝土温度分布、图4冷却水管间距为1m时混凝土温度分布、图5冷却水管间距为1.5m时混凝土温度分布。
14.图6为车站侧墙薄壁大体积混凝土管冷系统布置图。
15.图7为传感器定位与安装图。
具体实施方式
16.车站侧墙地铁车站采用划分施工段分段施工，每个施工段长10~20m，侧墙采用c35防水混凝土，抗渗等级为p8。底板混凝土浇筑养护达到标准强度，拆除底板上的一层钢支撑，在焊接安装侧墙钢筋的时候放置冷却水管。
17.1、利用有限元数值分析方法对车站侧墙大体积混凝土水化热进行仿真模拟，选取长为18m的标准施工段进行建模，考虑几何和边界条件的对称性，为减少计算时间，只截取1/4模型进行有限元分析。计算模型边界取侧墙侧壁以外3m，地基影响深度为5m，整个模型几何尺寸为x方向9m，y方向12m，z方向13m，三维有限元模型如附图1所示。
18.2、地基和侧墙采用实体单元模拟，对实体单元进行网格划分，根据单元内温度应力变化确定网格尺寸，温度应力变化较大的部位划分网格稍密，温度应力变化较小的部位划分网格稀疏。由于模型具有对称性，地基边界条件为x、y、z方向平动自由度全约束，对称面边界条件为约束平面外平动自由度。在侧墙混凝土表面施加对流边界条件，温度不随时间变化的地基表面为固定温度边界条件，将反映混凝土浇筑过程中水化热释放状态的热源函数赋予侧墙混凝土，最后按照附图6所示在模型中布置管冷冷却水管，采用水化热施工阶段分析对侧墙混凝土温度分布及应力应变时间历程进行模拟计算。无冷却水管、冷却水管间距为0.5m、1m、1.5m的工况下水化热达到最大时混凝土温度分布如附图2~5所示。
19.3、根据侧墙混凝土中心部位和外表面的温度分布以及应力应变变化过程确定冷却水管布置方案，由有限元分析的温度分布结果可以看出，未采取降低水化热的措施时混凝土内外温差较大，温度分布不均匀，混凝土内部约束引起的温度应力较大。采用垂直管冷方法降低水化热时，随着冷却水管间距减小，水化热达到最大时混凝土内部的最高温度逐渐减小，内外温差减小，温度分布趋于均匀。水管间距过大，水化热降低不均匀，侧墙混凝土内部不同部位存在较大温差。考虑到节省冷却水管材料和便于施工，水管间距不宜过小，间距取0.8~1m。通过调整冷却水管间距使混凝土内部温度趋于均匀，减少各部位温差，从而降低混凝土内部温度应力，具体根据现场施工情况确定。
20.4、管冷系统采用直径50mm的铸铁水管，在距离底板500mm处放置总水管，水平间隔一定距离沿侧墙墙高方向垂直安装支水管，支水管与总水管通过带垫圈的弯管连接，防止冷却水在水管中循环流动降温时发生渗漏，或混凝土渗入水管影响冷却水循环流动。进水管放置在中间，出水管沿进水管两侧左右对称布置，7-9根垂直水管为一组，组数由侧墙施工段分段长度确定。
21.5、将冷却水管与侧墙钢筋用铁丝绑扎牢固，浇筑混凝土应避开冷却水管，防止在注入冷却水或侧墙混凝土浇筑时水管出现较大位移，使混凝土内部温度分布不均匀产生温
度应力。在绑扎钢筋、放置冷却水管的同时按照附图7安装温度、应力应变传感器及无应力计，注意传感器保护，防止发生位移和损坏。
22.6、冷却水管安装完毕后对管冷系统进行水压试验，即关闭出水口控制开关，由进水口以一定水压注入冷却水，检测垂直管冷系统是否密闭或存在阻断水流的情况。
23.7、在每个垂直水管的顶端安装排水控制开关，通过调节这些开关和流量计控制冷却水的流量，冷却水循环流过混凝土内部降低了混凝土的水化热，垂直水管溢出的水可以再用作混凝土湿养护，以提高混凝土质量。冷却水的温度为15℃~20℃，冷却水与混凝土的温差控制在25℃。
24.8、冷却水管安装完毕后浇筑侧墙混凝土，在水化热引起混凝土内部温度升高阶段，控制冷却水以10l/min的流量通过橡胶水管注入总水管，通过水管顶端的排水控制开关调节流量使冷却水连续平顺通过混凝土中心部位，带走更多的热量以降低混凝土温度峰值；在混凝土内部降温阶段，降温速率过快会引起混凝土内部拉应力增大，当混凝土温度开始降低根据降温速率测量数据控制冷却水流量，减小流量间断注入冷却水，严格控制混凝土温度回升，根据温度测量数据降温稳定后再停止注入冷却水。
25.9、在侧墙混凝土浇筑完成七天后向冷却水管内注入水泥浆封堵，水泥浆强度等级不低于混凝土强度等级。