橋梁塔柱溫控措施效能評價及優化方法

黃維樹，宋軍

（1安徽省交通控股集團有限公司，安徽 合肥 230088；2上海同濟檢測技術有限公司，上海 200092）

1 引言

大體積混凝土在施工期間，由水化溫度引起的形變，在受到約束的情況下產生應力效應，由于早期強度偏低，容易產生開裂現象[1]，影響混凝土質量。橋梁塔柱在施工中也面臨水化溫度效應的影響，部分橋梁由于未能開展有效的控制，產生嚴重的開裂現象[2]。針對大體積混凝土構件的溫度控制措施已有較多研究[3、4]，但主要集中于對措施本身的探討方面，并未對各措施的效果進行對比，未建立相關評價體系，工程中往往不能很好的對措施進行優化，可能造成經濟成本投入的增加。

本文以蕪湖長江公路二橋中下塔柱的溫度控制為例，開展入模冷卻、水管降溫措施的效能評價研究，提出溫控措施的優化方法。蕪湖長江公路二橋中下塔柱總高151.48m，橫向分為兩肢。其中單肢呈扁平狀，由兩側實心及中間薄壁組成，實心與薄壁的尺寸均超出1m，為典型大體積混凝土構件，見圖1所示。塔柱混凝土采用C50，配合比見表1所示，絕熱溫升為 58.3℃。

圖1 單肢標準節段示意圖

塔柱配合比 表1

2 溫控措施效能分析

基于有限元分析方法，分別對入模冷卻、管冷降溫的效能進行分析。

2.1 入模冷卻

首先對入模溫度與最高溫度之間的關系進行分析，然后對入模冷卻的各項減熱措施的效能進行分析。

2.1.1 入模溫度與最高溫度關系

采用Ansys建立1/2空間有限元模型，考慮水管作用，環境平均溫度設定為25℃，分別計算入模溫度為25℃、18℃對中下塔柱的溫度影響，計算結果分別見圖2與表2所示。

圖2 不同入模溫度下的溫度場

不同入模溫度的計算最高溫對比 表2

入模溫度25℃時，實心區最高溫為68.0℃，出現在 2.3d左右，薄壁最高溫為 64.5℃，出現在 2.1d左右；入模溫度18℃時，實心區最高溫升為62.6℃，出現在第 2.5d，薄壁最高溫升為 59.6℃，出現在第2.2d。從溫度對比可以看出，入模溫度相差7℃時，最高溫度相差4.9～5.4℃，入模溫度減熱效果在 0.70～0.78之間。

2.1.2 入模冷卻措施的效能分析

混凝土為拌合材料，原材溫度影響混凝土的入模溫度，在拌合過程中保持熱量平衡，根據相關規范資料，出機口溫度可參照規范[5]附錄D計算。通過對公式進行變換，得到原材溫度每下降1℃時出機口溫度下降幅度的計算公式。

式中，ΔT0,i為第i種材料溫度下降1℃時出機口溫度下降幅度；ci為第i種材料比熱容；Wi為每立方米混凝土中第i種材料的質量；cc為混凝土比熱容，取0.96kJ/(kg×℃)；ρc為每立方米混凝土重量，取 2400kg。

將本項目的配比代入如上公式，可以計算出原材對入模溫度影響，見表3所示。從計算表中可以看出，石子、砂子以及水的溫度對混凝土出機口溫度影響較大。

冷卻混凝土可拌合水或者在拌合混凝土的時候摻加冰屑，是預冷混凝土的最簡易的方法，這是因為冰塊溶解的過程中吸收大量的熱量，約355kJ/kg，因此能夠取得明顯的冷卻效果。以50kg/m3的冰屑進行控制時，通過簡單的熱力學換算，可得到其降低入模溫度8～10℃，效果較為顯著。

原材溫度對出機口降溫效果影響 表3

2.2 水管降溫

分別對水管密度與水溫的影響進行研究。

2.2.1 水管密度影響分析

對水管密度的影響進行研究，分別采用了層高1m的網格以及0.5m的網格建模，入模溫度按照28℃考慮，最高溫度見圖3所示。管冷密度為1m區域的最高溫為65℃，相較于絕熱狀態減小了15.3℃，管冷密度為0.5m區域的最高溫為45℃，相較于絕熱狀態減小了41.3℃。通過增加密度降低溫度的效果比較顯著。

圖3 不同網格密度的溫度云圖

2.2.2 水溫影響分析

以水管中心距為1m為例分別計算了水溫低于入模溫度10、5、0℃的情況，計算得到溫升值分別為 42.1℃、43.1℃與44.1℃，影響相對較小。

3 綜合優化方法

對優化方法和關鍵指標進行研究，給出相關計算示例。

3.1 優化方法

建立考慮經濟性的計算方法，目標控制溫度可由式2進行計算，式中0.7為折算系數。

式中：Tmax為目標最高溫度；T0為無降溫措施時的入模溫度；Tabs為絕熱溫升；T1為入模降溫數量；T2為管冷降溫數量。

T1與T2為待優化參數，根據經濟性原則進行確定，經濟成本投入可由式3進行計算。

式中：E為成本總投入；T1,i為入模降溫每項措施的選用數量；e1,i為入模降溫每項措施降低單位溫度時的成本投入；T2,j為水管降溫每項措施的選用數量；e2,j為水管降溫每項措施降低單位溫度時的成本投入。

3.2 關鍵指標

根據建設實際過程中的各項支出費用統計，對第二節中的各項措施的效能進行分析，經濟性指標定義為每單位花費降低單位溫度量值，與e互為倒數，統計結果見圖4所示。

圖4 各項措施的效能對比

由統計可以看出，增加水管密度的方法效果最佳，每1元可降低單方混凝土0.187℃，其次為拌和加冰措施，每1元可降低單方混凝土0.098℃，效果最低的為降低水溫，每1元只能降低單方混凝土0.008℃。因此應優先選用水管以及加冰措施。

3.3 優化示例

由于式（3）基本上為線性式，故可以采用最優指標最大化的方法開展優化，蕪湖長江公路二橋橋塔的優化方法分為如下兩種。

3.3.1 僅有水管措施

由于管冷措施的效果約為加冰效果的2倍，遠超出其他措施的控制效果，故可以通過持續增加水管的方式，實現既定的控制目標。經計算管冷密度在0.5～1m之間，可滿足所有節段的溫度控制要求。

3.3.2 復合措施

工程經驗表明，無控制情況下，夏季入模溫度超出規范限值（28℃）的可能性較大，因此，采取入模溫度的控制措施是必須的。復合措施以經濟性指標最好的前兩項措施開展優化。在工程實施情況，加冰以50kg/m3進行控制，管冷密度以下方0.5m、上方1m進行控制。

4 結論

綜上所述，以蕪湖長江公路二橋中下塔柱的溫度控制為例，開展了橋塔穩控措施的優化方法研究。

①通過有限元及熱量計算分析，明確了各項措施的降溫效果，其中入模冷卻的降溫效果約為 0.7～0.8，對石子及拌合水進行降溫的效果最好；水管冷卻效果較入模冷卻效果好，降溫效果取決于管冷密度；冷卻水管內的水，效果較差。

②建立了經濟性計算方法，與蕪湖長江公路二橋為例，給出了各項措施的經濟性指標，明確了水管冷卻的效能最佳，其次為摻冰措施，降低水管水溫的方法效能最差。

③結合蕪湖長江公路二橋中下塔柱實施，給出了優化示例，供同類工程參考選用。