大體積混凝土溫度控制與MIDAS建模參數調整分析

王忠

摘要： 大體積混凝土由于受溫度應力的影響，嚴重時就會產生裂縫，針對這一問題，以某特大斜拉橋承臺大體積混凝土施工為背景，通過有限元仿真計算分析，明確了承臺混凝土結構的應力場和溫度場的特征，提出了相應的溫控標準和溫控措施。同時，通過對4#承臺仿真計算結果與實測進行分析對比，反復調整建模中的一些參數再進行反算，結果表明，參數調整后的溫度場更加符合實際，并在后期5#承臺澆筑中得到應用。為類似工程提供了有益借鑒。

Abstract： Mass concrete is affected by temperature stress， and cracks occur when serious. In view of this problem， based on the construction of mass concrete of bearing cap of a super large cable stayed bridge， through the finite element simulation analysis， the characteristics of stress field and temperature field of concrete structure of concrete cap are defined， and the corresponding temperature control standards and temperature control measures are put forward. At the same time， the simulation results of 4# cap are compared with the actual measured results. Readjust some parameters in the modeling， and then do the inverse calculation. The results show that the temperature field after adjusting the parameters is more practical， and it is applied in the later 5# cap casting. It provides a useful reference for similar projects.

關鍵詞： 大體積混凝土；溫度控制；承臺

Key words： large cubic concrete；temperature control；pile cap

中圖分類號：U445.57 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）32-0133-03

0 引言

大體積混凝土在施工期間的溫度裂縫問題一直是工程界所面臨的一個難題，它影響因素諸多，形成機理比較復雜。從裂縫成因分析來看，國內外普遍認為溫度荷載是引起裂縫的重要因素[1-3]，因此溫度控制是保證大體積混凝土質量的一個重要方面。混凝土在硬化時由于水化熱的作用會釋放出大量的熱量使其混凝土內部溫度升高，在降溫期間，由于非均勻降溫而受到自身約束和外部約束，自身約束是內部混凝土的互相約束，產生自身應力；外部約束是來自基礎或舊混凝土的約束，產生外約束應力。自身應力和外部約束應力都是由混凝土溫度變化而引起的溫度應力[4-5]，當這種溫度應力超過混凝土相應齡期的抗拉強度時就會產生裂縫，溫度裂縫不僅影響結構的承載力和設計效果，而且對結構的安全性和耐久性也有很大的影響。為此，本文采用有限元MIDAS軟件對施工期間溫度場和應力場進行了仿真計算分析，明確了承臺混凝土結構內部的溫度場和應力場的特征，提出了相應的溫控指標和溫控措施，為類似工程提供了有益借鑒。

1 工程概況

某特大橋主跨為406m三塔雙索面鋼箱鋼桁結合梁斜拉橋，全長1290.24m。3、4、5號主墩承臺設計為圓端形，平面尺寸44.51m×25.5m，承臺高6.5m。承臺平面面積1015.5m2，混凝土標號為C30，承臺設計混凝土方量6600.6m3，鋼筋583.8t。承臺混凝土分兩次澆筑完成，第一次澆筑3m，約3046.4m3，第二次澆筑3.5m，約3554.2m3。

2 本工程所采用的溫度控制措施及分析

2.1 原材料

水泥：承臺所采用的水泥水化熱試驗結果表明，3天水化熱為228.3kJ/kg，7天水化熱為262.6 kJ/kg；細骨料：選用河砂，細度模數2.3～3.0，細骨料含泥量不大于2.5%；粗骨料：選用岳陽臨湘碎石，粗骨料含泥量不應大于1.0%，粗骨料選用石灰石，其熱膨脹系數低，能夠有效減少熱應變；粉煤灰：Ⅱ級粉煤灰；外加劑：高效減水劑。

2.2 配合比設計階段的溫控措施

承臺大體積混凝土的粉煤灰摻量為38.5-39%，水膠比0.38，砂率為40-42%，具有良好的流動性、和易性及泵送性能。粉煤灰可替代部分水泥，能有效降低絕熱溫升；粉煤灰在水泥水化初期不參與水化，能有效降低溫峰值。

據此設計承臺C30混凝土配合比如表1，3號墩承臺混凝土絕熱溫升為42.6℃，4、5墩承臺混凝土絕熱溫升均為41.9℃。

2.3 降低混凝土入模溫度的措施

在混凝土拌和之前先測量水、水泥、骨料及摻合料的溫度，根據經驗公式估算拌和后混凝土的溫度，如不能滿足入模溫度要求，應采取在拌和水中加冰來調節水溫，以控制出機口溫度，直到滿足要求為止。控制入模溫度的主要措施如下：

①粗骨料和細骨料。對砂、石等原材料采取防曬儲存措施，砂、石料存儲倉實行頂蓋+側面遮擋防曬措施。

②拌和水。當入模溫度難以滿足要求時，優先考慮在拌和水中加冰塊來降低拌和水溫度。根據計算，拌和水的溫度每降低1℃，混凝土的出機口溫度會降低0.25℃，碎石的溫度每降低1℃，混凝土的出機口溫度會降低0.35℃左右。endprint

③拌和泵送。對配料斗、皮帶運輸機及攪拌機采取遮陽措施；對混凝土泵管表面采取麻袋覆蓋包裹，并澆水降溫。

2.4 采用管冷降溫措施

為了降低混凝土內部最高溫度，減小基礎溫差和內外溫差；同時也為了根據施工需要靈活的將混凝土溫度降低至指定溫度，因此本工程進一步采取混凝土內部布置冷卻水管法，水管采用Φ50鋼管，水管豎向間距1m，水平間距0.8m。溫控過程中利用水箱建立冷卻循環系統，在升溫階段開啟最大流量，以盡可能多的帶走混凝土內部的熱量；在降溫階段主要通過流量和進水口水溫的調節以滿足降溫速率的要求。溫控過程中每12～24h改變一次水流方向，以使混凝土內部的溫度場變得均勻一些。

2.5 表面保溫保濕養護

大體積混凝土的裂縫主要由溫度應力和干縮應力產生，對混凝土表面進行保溫保濕養護可以減小混凝土的內外溫差，防止表面裂縫；防止外界氣溫驟降引起的危害結構安全的裂縫；有效減小干縮變形。本項目承臺側面采用木模板+彩條布，頂面采用薄膜+棉被。

2.6 構造措施

通過計算發現，承臺混凝土的拉應力主要分布在上表面，在棱邊處存在應力集中現象，建議在承臺表面配制防裂鋼板網，以減輕應力集中效應，提高混凝土的抗裂性。實際施工中在承臺第二次澆筑時頂面配制了防裂鋼板網，效果良好。

3 溫度監測及溫控措施

3.1 溫度測點布置及測溫控制

根據結構對稱性的特點，選取1/4承臺作為主要測試區域；測點的布置充分考慮了溫控指標的測評；布置了必要的備用測點，以防損壞。承臺每次澆筑分四層共布置34個溫度測點，另布置包括水溫及氣溫測點若干。

在水化熱升溫階段，每2～4小時測1次，在降溫階段初期，降溫速率較快，每4～6小時測1次，在降溫階段后期每12～24小時測1次。根據溫度場及應力場的計算結果，結合與監測結果的對比分析，以4號墩承臺第二次澆筑混凝土芯部點數據進行分析見圖4-2，若發現溫度指標超過規范要求后應及時報警。

3.2 溫度控制指標

根據現行規范結合現場實際情況，此特大橋溫度控制的主要溫控指標如下：混凝土入模溫度不宜超過28℃；里表溫差不宜大于20℃；最高溫度值不宜大于60℃，最大不超過65℃；的降溫速率不宜大于2℃/d。

4 仿真計算分析

利用MIDAS CIVIL建立實體模型進行溫控分析，計算模型見圖1。

4.1 原計算結果與實測對比分析

通過工程實測取得的溫度數據和事先采用有限元模擬得到的數據進行比較分析，以驗證采用有限元法模擬得到的前期試驗用來養護數據的合理性。在此選用4號墩承臺第二次澆筑混凝土數據進行分析。在方案制定階段采用的入模溫度為17℃，計算最高溫度為52.7℃。實測4#墩承臺第二次澆筑入模溫度在18℃左右，最高溫度為47.9℃。在此以芯部測點為參考，計算與實測溫度曲線對比見圖2。

由圖2可知， 混凝土在澆筑完成后急劇升溫，澆筑完2.5d左右達到溫峰值，理論計算為52.7℃，實測為47.9℃，實測與理論計算值比較接近，以及其曲線變化規律也與理論變化規律基本吻合。隨后混凝土溫度逐步下降，前期降溫速率比較快，隨后降溫速率較平緩，逐漸趨于穩定。芯部點XY3-0原方案計算值高于實測值，到達溫峰的時間也比實測值晚，說明混凝土實際放熱速率比計算的要快，絕熱溫升比計算值小。

4.2 溫度反算結果與實測對比分析

根據實測值與計算值的對比分析，對相關計算參數進行了調整，通過反復試算，調整后計算參數與原計算參數對比見表2。溫峰時溫度場分布云圖見圖3，芯部測點的計算與實測溫度曲線對比見圖4。

由圖4可知，在參數調整之后，計算值與實測值無論是在峰值還是峰值到來的時間以及曲線的變化規律基本一致。對實際工程的指導更有意義。

4.3 參數調整后的溫度應力計算結果

溫度參數調整后，計算的最大溫度應力為2.0Mpa，溫度應力云圖見圖5，各關鍵測點的應力時程曲線見圖6。

計算過程中發現，在升溫階段最大主拉應力分布在冷卻水管周圍，這主要是因為升溫階段采用大流量通冷水以消減溫峰，導致水管周圍溫度梯度較大，自約束應力偏大。有上圖可知，混凝土升溫期間內部表現為壓應力，最大為1.8MPa，后期逐步轉化為拉應力。整體混凝土拉應力主要分布在承臺外表面及棱邊，最大溫度應力發生于溫控后期，位于承臺長邊中心附近，主要是由混凝土降溫及收縮變形引起，與理論分析一致。棱邊處雙面散熱，溫度梯度大，后澆筑混凝土的底部受舊混凝土約束作用強，均為拉應力集中分布部位，應加強養護。可見，最大溫度應力發生于溫控后期，位于承臺長邊中心附近，主要是由混凝土降溫及收縮變形引起，與理論分析一致。

5 結論

此特大橋主塔承臺大體積混凝土的溫度控制，通過優化混凝土的配合比，嚴格控制原材料質量，盡可能的降低入模溫度，承臺混凝土內部布置冷卻水管，加強保溫保濕養護等措施取得了較為理想的效果，在整個澆筑養護期間，承臺大體積混凝土的表面未出現可見裂縫。通過本次實踐可以得出以下結論。

①在整個溫控過程中承臺混凝土的最高溫度64.1℃、最大里表溫差19.8℃、最大平均降溫速率1.82℃/d，主要溫控指標均滿足規范和設計要求。

②僅就當前承臺C30混凝土所采用的配合比而言，絕熱溫升在為39℃左右；入模溫度為18℃左右時，放熱速率系數可取為1.0；側面采用2cm木模板+1層彩條布的保溫效果較好，對流系數可取為12kJ/m2·h·℃， 頂面采用1層塑料薄膜+1層棉被（濕潤）對流系數取可為12kJ/m2·h·℃。

③由于混凝土溫度裂縫影響因素較多，形成機理較為復雜，建議在混凝土施工之前進行多工況、多參數進行仿真計算分析，選擇最優的方案，把包括配合比等各種不利因素均考慮在內，確保避免溫度裂縫的產生。

參考文獻：

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