某長江大橋承臺大體積混凝土溫度控制與分析

邱世卓

【摘要】針對某長江大橋承臺的結構特點，采用有限元計算分析了承臺施工期內部溫度場，探討了承臺大體積混凝土溫度控制技術，通過優化混凝土配合比、降低水化熱溫升、埋設冷卻水管等措施，達到了溫度控制要求。從現場情況來看，未出現有害溫度裂縫，達到了預期的溫控目標。

【關鍵詞】大體積混凝土；承臺；溫度控制；冷卻水管

隨著大跨度橋梁工程的不斷涌現，大體積混凝土在橋梁工程中的應用越來越多，如大跨度橋梁的基礎承臺、懸索橋的重力式錨碇等。同時，橋梁大體積混凝土的裂縫問題也越來越受到工程界的關注，在設計和施工過程中必須采取一系列有效措施，將裂縫的生成和擴展控制到最小程度。為了防控大體積混凝土裂縫的出現，施工前應首先優化混凝土配合比，降低水泥水化熱，并進行仿真模擬計算分析，驗證施工方案的合理性；施工過程中應做好混凝土的溫度控制與監測，以便及時采取預防技術措施，防止溫升過高、溫差過大等不利情況的出現。該文以某長江大橋主墩承臺大體積混凝土工程為背景，通過在施工前和施工中采取一系列溫控措施，有效地防控了大體積混凝土溫度裂縫的出現。

1 工程概況

某長江大橋主橋為雙塔三索面預應力混凝土斜拉橋，主橋全長4657m，橋跨布置為98+196+504+196+98m；其主塔墩下部結構基礎為40根直徑為3.40m的大直徑鉆孔灌注樁，樁頂設置承臺，其平面尺寸為 的切角矩形，厚度為5.0m，單個主墩承臺合計澆筑混凝土3300 ，屬于大體積混凝土結構，施工工程中，如果在配合比設計、溫度控制、澆筑方法、混凝土養護等方面處理不當，會造成溫差應力、收縮等原因形成的裂縫，影響橋梁的使用功能和運營安全。

圖1 承臺構造示意圖（單位：mm）

2 有限元模擬

2.1 基本計算參數

1）施工資料

承臺混凝土設計強度等級為C30，施工時承臺分兩層澆筑，二次澆筑高度同為2.5m，兩層混凝土澆筑間隙期為7d， 承臺混凝土冷卻水管采用壁厚2.5mm、直徑φ32mm的圓鋼管。冷卻水管平面布置如圖2所示。

注：1—冷卻管出水口；2—冷卻管進水口；

圖2 冷卻水管布置平面圖（單位：cm）

2）混凝土參數

承臺混凝土配合比見表1，C30混凝土物理熱學參數見表2

表1 承臺C30混凝土配合比

水泥 粉煤灰 砂 石 水 外加劑

283 71 750 1126 170 2.83

表2 C30混凝土物理熱學參數

最終彈性模量/Mpa 導熱系數

密度

熱脹系數

比熱

絕熱溫升/

9.7 2400

1.0 35

2.2 模型的建立

采用通用有限元程序ANSYS對主墩承臺大體積混凝土水化熱溫度場進行數值分析。考慮結構的對稱性，取1/4實體建模，混凝土采用solid70單元模擬，水冷管采用fluid116單元模擬，水冷管與混凝土之間的熱對流采用Surf152單元模擬。網格劃分如圖2所示，水管單元周圍單元進行加密， 有限元模型的邊界條件按如下考慮：1/4模型對稱面取為絕熱邊界；承臺混凝土的初始溫度取為澆筑時的入模溫度10℃，冷卻水入口溫度為12℃；流量取1.5m3/h，水管通水時間設為18天，承臺底部按第一類邊界條件處理，取為施工期平均氣溫15℃；承臺混凝土與空氣的接觸面則采用第三類邊界條件。

圖3 承臺網格劃分

2.3 計算結果分析

圖4 混凝土最大溫升隨齡期變化曲線

圖5 無冷管承臺結構溫度場分布（3d）

圖6 有冷管承臺結構溫度場分布（3d）

混凝土內部最大溫升隨齡期變化如圖4所示，齡期為3天時無冷管和有冷管承臺結構溫度場分布如圖5和圖6所示。結果表明，無冷卻水管降溫的承臺澆注后的最高溫度達到44.77℃，表面與內部的最大溫差已接近30℃。冷卻水管通水流量為1.5m3/h時，承臺澆注后的最高溫度達到36.8℃，表面與內部的最大溫差為21.8℃，有冷卻水管模型相比于無冷卻水管模型，前者最高溫度比后者低8℃，說明冷卻水管降溫效果顯著，因此，設計時應根據混凝土內外溫差是否小于25℃來確定冷卻水管的通水流量和進出水口溫差。

從圖4可以看出，承臺內部最高溫度出現雙峰值現象，主要是由于分層澆筑時間間隔引起的，兩層之間會有熱交換，下層澆注完成后七天澆注上層，下層的溫度會因為兩層之間的熱傳導而升高，第一次和第二次澆筑溫峰出現時間均為澆筑后第2～3d。

3 現場溫度控制技術措施

大體積混凝土溫控是對混凝土質量的全面控制。由于大體積混凝土裂縫控制的復雜性和施工過程中的不確定性，為達到溫控標準的要求，現場需采取一系列溫控措施進行有效監控，包括混凝土配合比優化，澆筑溫度的控制，混凝土拌合、運輸、澆筑、振搗到通水、養護、保溫每個施工環節。

3.1合理選擇混凝土原材料、優化混凝土配合比

優選材質，提高普通混凝土的抗拉性能；應用微膨脹外加劑，改善混凝土的收縮性質；選用有效的緩凝高效減水劑和粉煤灰，提高大體積混凝土的和易性，減少水化熱，本工程中選用的是黃石華新P.O42.5礦渣水泥，采用 級粉煤灰，FDN-5高效減水劑，選用堅固耐久、級配良好的5～26.5mm的碎石，采用細度模數為2.7的中砂。在保證混凝土具有良好工作性的情況下，應盡可能地降低混凝土的單位用水量，采用“三低（低砂率、低坍落度、低水膠比）雙摻（摻高效減水劑和高性能引氣劑）一高（高粉煤灰摻量）”的設計準則，生產出高強、高韌性、中彈、低熱和高抗拉性能的抗裂混凝土。

3.2 施工控制措施

在承臺大體積混凝土施工過程中，從混凝土拌和、運輸、澆筑到保溫養護整個過程實施全程有效監控，特別對混凝土分層、澆筑溫度和養護進行嚴格控制，保證混凝土施工質量。

（1）混凝土分層施工。根據混凝土生產能力、運輸條件等因素，將承臺混凝土分2層澆筑，每層澆筑2.5m，控制各層混凝土澆筑間隙期為7天左右。

（2）降低混凝土入模溫度。澆筑溫度根據不同的季節施工要求均作了明確的控制要求，混凝土夏季最高入模溫度控制在30 ，混凝土冬季最低入模溫度控制在10 ，通過測定水泥、砂、石、水的溫度，估算出機溫度和澆筑溫度，在標準要求范圍內，盡量降低混凝土的澆筑溫度，降低入模溫度是控制溫度峰值的最有效措施之一。根據現場實際情況，提前將砂石料灑水并搭設遮陽棚來降低原材料的溫度，通過冷卻水拌和降低混凝土出機溫度。

（3）加強保溫措施。在澆筑大體積混凝土時，應在室外氣溫較低時進行，澆筑后的大體積混凝土應采取保溫措施以減少內表溫差。早期供水養護可及時抑制混凝土的早期自收縮。在混凝土達到初凝后，必須立即用塑料薄膜和草袋覆蓋，防止大風和陽光曝曬，使表面水分劇裂蒸發，形成混凝土上部和下部硬化速度不均和差異收縮。因此采用可帶模供水的內襯憎水塑料鋼模板或透水模板。保溫養護要及時、充分。環境溫度較低時，如果不采取適當的保溫養護措施，容易產生冷縮裂縫。根據要求，大體積混凝土內外溫差、表面與環境溫差應控制在20 以內，施工中執行“外保內散”的養護措施，即一方面在混凝土體內埋設冷卻水管，一方面在混凝土表面蓋一定厚度的濕麻袋，予以保溫并避免表面水分的過快蒸發。

3.3 合理埋設冷卻水管

在承臺混凝土內部埋設冷卻水管，通過流動的冷卻水將散熱條件不佳的混凝土內部熱量帶出，降低混凝土內部溫度。同時埋設溫度傳感器，進行溫度監測，保證承臺混凝土水化熱溫差符合規范要求在25℃以內，冷卻水進出口溫差不超過6℃，并根據實際情況，及時調整水溫或流量，防止水管周圍溫度裂縫的產生。冷卻水管采用壁厚2.5mm、直徑φ32mm的圓鋼管。分兩層按蛇形布置（如圖2所示），水平間距1m，豎向層間間距2.0m，冷卻管距混凝土邊緣為0.5m。混凝土澆筑中和澆筑后開啟水循環散熱，根據計算分析結果通水流量取1.5m3/h，冷卻水與混凝土之間的溫度差限制在22℃以內，利用轉換裝置，每天更換一次通水方向，力求均勻冷卻。冷卻完畢后冷卻管內壓入與混凝土同標號的水泥凈漿灌實。

4 主要結論

（1）本文分別考慮有冷卻水管和無冷卻水管作用，建立實體有限元模型，對大體積混凝土承臺進行施工期水化熱溫度場分析，通過分析比較，結果表明設置冷卻水管降溫效果顯著。其計算結果可以用于指導設計和施工，為大體積混凝土施工制定合理的溫度控制方案提供依據。

（2）制定合理的溫控措施，是防止大體積混凝土出現裂縫的重要保障，該長江大橋主橋橋墩承臺大體積混凝土施工，由于采取了較為先進的設計和嚴格合理的溫控方案，承臺無開裂現象，施工質量良好，滿足規范要求。

（3）大體積混凝土溫度控制與防裂是一項系統工程，施工前優化混凝土配合比，控制混凝土澆筑溫度，采取合理的施工工藝，施工中的溫控措施，冷卻降溫措施、

養護保溫條件等均對后期混凝土的內外溫差和抗裂性能有重要影響。

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