特大橋承臺混凝土施工溫度場及溫度應力場仿真分析

肖 飛 倪 寅,2 龍海永 王 斌

1. 中建港務建設有限公司 上海 200433；2. 同濟大學土木工程學院 上海 200092

1 工程概況

健跳港位于臺州市三門縣城東25 km處，橋位處水面寬約550 m，水深大于5 m，深槽的跨度為330 m，局部最深9 m，航道條件優越。

本文基于臺州灣特大橋項目，對橋墩承臺大體積混凝土水化熱進行分析研究。

該項目主橋墩承臺尺度為37.4 m×13.6 m×4.5 m，采用C35海工混凝土設計，水平分3層澆筑，每層時間間隔為7～12 d，并要求下層混凝土強度達到80%強度才能澆筑上層混凝土。

由于套箱設計時計算封底混凝土的錨固厚度不足，調整第1層承臺混凝土厚度為1 m，第2層承臺混凝土厚度為2 m，第3層承臺混凝土厚度為1.5 m。

2 承臺溫控方案

2.1 澆筑溫度控制方法

主橋墩承臺按照大體積混凝土施工布置冷卻水管，冷卻水管布置于每層混凝土的中間位置。大體積混凝土溫度控制關鍵是控制水化熱，避免其過高或因外部溫度突降而導致承臺混凝土內外溫差過大，從而產生溫度裂縫。

第1層承臺混凝土由于厚度較薄，計劃不安裝冷卻水管，第2層承臺布設2層冷卻水管，第1層冷卻水管距承臺底1.50 m，第2層冷卻水管距承臺底2.50 m，第3層冷卻水管距承臺底3.25 m，冷卻水管距承臺側邊最小間距為0.80 m，第1、2層管間水平距離為1.00 m，第3層為1.20 m。冷卻水管的外徑為42.25 mm，壁厚為3.25 mm。

承臺施工過程中的大體積混凝土溫控措施除采用分層澆筑外，還有以下幾方面的措施[1-4]：

1）在不降低混凝土設計強度等級的前提下，選用低中熱水泥品種，優化配合比設計，減少單位體積內水泥用量，并摻入粉煤灰、減水劑，以降低大體積混凝土的水化熱。

2）為減少大體積混凝土水化熱，應注意對混凝土原材料的預冷，以降低入倉溫度，同時避免在高溫時澆筑承臺混凝土。

3）利用循環冷卻水對承臺大體積混凝土進行溫控，即采用內部降溫法進行溫度控制。

2.2 混凝土配合比設計

為降低混凝土內部水化熱溫度，先要選擇合理的混凝土原材料，即選擇級配優良的砂、石料，選擇適用的混凝土外加劑，控制水灰比，控制粉煤灰與礦粉的使用，并減少水泥用量等。因此要對混凝土配合比進行優化。

應根據上述原材料的品質、設計強度等級、耐久性要求及施工工藝要求來確定混凝土的配合比，并通過計算、試配與調整等相關步驟加以選定。配制的拌和物性能應滿足設計強度、耐久性等要求。

本工程澆筑的特大橋橋墩承臺屬于大體積混凝土，按海工大體積混凝土的相關要求進行配合比設計。根據實際施工中使用的砂、石、水泥、粉煤灰及外加劑的性能進行交叉配合比試驗，確定最佳配合比，并遵循以下總的原則：大體積混凝土應采用低中熱水泥，并采用“雙摻技術”（即摻加粉煤灰及外加劑），降低混凝土的入倉溫度等措施，以改善混凝土的性能，減小混凝土的水化熱。混凝土的性能要求為：初凝時間不小于12 h；坍落度16～20 cm；具有良好的流動性、和易性及可泵性。經過試驗，C35海工混凝土配合比見表1，混凝土強度滿足要求。

表1 海工混凝土配合比

2.3 冷卻水管布置與安裝

根據混凝土結構內部溫度分布特征，冷卻水管采用φ42.25 mm、管壁厚3.25 mm的鋼管光-32-YB234-63黑鐵管。冷卻水管共3層，按蛇形布置，水平間距1.2 m，豎向層間間距1.5 m，冷卻管距混凝土邊緣約為0.8 m，兩相鄰平行冷卻水管拐角處以R＝0.6 m圓弧過渡，承臺冷卻水道長度都在400 m內。安裝冷卻管時應注意水管的質量，且固定接頭時應確認牢固，安裝完畢后應進行通水檢查。

冷卻管綁扎在相鄰的鋼筋上，每層的高度和平面位置可根據具體情況進行調整，冷卻管在埋設和澆筑混凝土過程中應防止堵塞、漏水和振壞。冷卻管的進水口用膠管與水泵連接，冷卻管出水口用膠管引出延伸至蓄水源。承臺內部冷卻循環水管接頭采用外套塑料膠管綁扎連接。

為驗證冷卻管是否漏水，避免通水時漏水影響混凝土質量或堵管影響通水效果，故需在承臺混凝土澆筑前做試通水檢查，并準備適量的止水膠帶和塑料膠布，對于漏水的地方進行處理。在混凝土澆筑過程中避免振動棒振擊冷卻管，以免導致冷卻管漏水，若出現冷卻管受損應及時采取有效措施處理，未處理完畢不可繼續進行混凝土的澆筑。

2.4 冷卻水管工作方式

將循環冷卻水管埋設于承臺大體積混凝土中，通入冷卻水后，通過循環流動帶走混凝土內部的部分熱量，從而實現降低溫度的目的。自澆筑混凝土時，即通入冷水，且連續通水15 d，出水口流量10～20 L/min，進水水溫與混凝土內部溫度差≤20 K，冷卻管內進出口水溫差≤10 K；通水冷卻過程中應注意對混凝土外表面進行灑水養護工作。冷卻管停水后仍應每隔12 h監測混凝土內溫度一次，努力做到大體積混凝土內溫度場均布，減少溫度梯度，澆筑上層混凝土時應將下層混凝土測溫孔內用小石子混凝土填實。冷卻管使用完畢后對其進行灌漿封孔處理，并將伸出承臺頂面部分截除。

3 溫度仿真預測

大體積混凝土的水化熱導致溫度應力變化，而溫度應力差所產生的裂縫較寬，且易上下貫通，故對結構承載力、結構防水、結構耐久性都有較大影響。產生溫度應力的主要原因是大體積混凝土在澆筑后由于水化熱導致體積膨脹或收縮，同時受到內部或外部約束力的影響。本次仿真計算通過模擬混凝土內部與外部約束力的產生，從而計算施工狀態下混凝土中的溫度場及溫度應力場。

3.1 計算條件

3.1.1 建立模型

由于本承臺采用水中有底鋼套箱施工，所以MIDAS模型中無地基，僅有承臺混凝土和封底混凝土，將承臺混凝土和封底混凝土模擬成具有一定比熱和熱傳導率的結構（圖1）。

由于模型具有對稱性，所以這里只取1/4模型進行建模和分析。這樣不僅可以提高建模速度、縮短分析時間，而且也便于查看內部溫度分布以及應力發生狀況（圖2）。

圖1 承臺及封底混凝土整體模型

圖2 承臺1/4模型

3.1.2 施工階段及步驟

本方案分3層澆筑承臺，第1層承臺施工為第1階段，第2層承臺施工為第2階段，第3層承臺施工為第3階段。

1）第1階段分為13個步驟，步驟時間為2、4、8、12、18、24、36、48、72、96、120、144、168 h。

2）第2階段分為13個步驟，步驟時間同第1階段。

3）第3階段分為14個步驟，步驟時間為2、4、8、12、18、24、36、48、72、96、120、144、168、216 h。3.1.3 材料和熱特性數據材料和熱特性數據見表2。

表2 材料和熱特性數據

冷卻管采用鑄鐵管，對流系數取372 W/（m2·K），管外徑為42.25 mm，壁厚3.25 mm，流量為1.20 m3/h，進水溫度為15 ℃。第1、2層管冷卻時間從第2階段混凝土澆筑結束至第3階段第96小時，第3層管冷卻時間從第3階段混凝土澆筑結束至第168小時。

3.2 溫度場的建立及結果分析

1）第1階段第96小時混凝土內部最低溫度為15 ℃，最高溫度為30.8 ℃（圖3），最大溫差為15.8 K，混凝土開始降溫。

圖3 第1階段第96小時混凝土內部溫度分布

2）第2階段第96小時混凝土內部最低溫度為15 ℃，最高溫度為36.2 ℃（圖4），最大溫差為21.2 K，混凝土開始降溫。

圖4 第2階段第96小時混凝土內部溫度分布

3）第3階段第216小時混凝土內部最低溫度為15 ℃，最高溫度為26.6 ℃（圖5），最大溫差為11.6 K，混凝土處于自然降溫階段。

圖5 第3階段第216小時混凝土內部溫度分布

3.3 應力場分析

1）第1階段第168小時承臺混凝土最大拉應力為0.96 MPa（圖6）＜允許拉應力1.96 MPa（圖7），最大拉應力出現在第1層承臺外邊緣及頂部，混凝土不會出現開裂。

圖6 第1階段第168小時混凝土應力分布

圖7 第1階段第168小時混凝土允許應力分布

2）第2階段第168小時承臺混凝土最大拉應力為1.45 MPa（圖8）＜允許拉應力2.18 MPa（圖9），最大拉應力出現在第2層承臺頂部，混凝土不會出現開裂。

圖8 第2階段第168小時混凝土應力分布

圖9 第2階段第168小時混凝土允許應力分布

3）第3階段第216小時承臺混凝土最大拉應力為2.49 MPa（圖10）＜允許拉應力2.53 MPa（圖11），最大拉應力出現在第3層承臺外側，混凝土不會出現開裂。

圖10 第3階段第216小時混凝土應力分布

圖11 第3階段第216小時混凝土允許應力分布

3.4 代表性節點溫度及應力分析

分別在第1層承臺中間，第1、2層交界，第2層承臺中間，第2、3層交界，第3層承臺中間，選擇具有代表性的節點進行溫度及應力分析，根據節點應力結果可知，承臺施工滿足本計算中的各種參數，即承臺不會產生溫度裂縫。

4 養護優化

混凝土澆筑完畢后轉入養護階段。養護時應盡可能使新澆筑混凝土少失水分及內外溫差控制在允許范圍內（不大于25 K）。

針對承臺大體積混凝土水化熱的問題，在澆筑完之后立即用塑料薄膜覆蓋混凝土表面進行養護，一方面避免塑性收縮裂縫的出現，另一方面起到保溫的作用；上層混凝土頂面待混凝土終凝后應進行蓄水養護，蓄水深度10～20 cm。

為保證養護質量，指定專人負責保溫養護工作，并應按規范的有關規定操作，同時做好測試記錄。保濕養護的持續時間不得少于14 d，過程中注意檢查塑料薄膜等覆蓋物的完整情況，保持混凝土表面濕潤。保溫覆蓋層的拆除根據測溫數據分層逐步進行，當混凝土的表面溫度與環境最大溫差小于20 K時，方可全部拆除。

5 結語

大體積混凝土在施工中常常出現溫度裂縫，影響到結構的整體性和耐久性。通過大體積混凝土在施工前的混凝土配合設計與溫控措施，并進行大體積混凝土施工期溫度場和溫度應力場分析計算，得出以下改良建議[5-8]：

1）建議采用低熱水泥施工承臺，且水泥摻量不宜大于300 kg/m3。

2）建議在混凝土中摻加粉煤灰以減小混凝土發熱量。

3）施工中應在每層承臺的中心、1/4處、外側邊埋設測溫元件，定時監控混凝土的溫度，以便調整冷卻管水溫及流量。

4）若實際施工中混凝土的發熱參數、環境溫度等與本計算差別很大，應對本計算進行調整以指導現場施工。