溫塘特大橋主橋承臺大體積混凝土水化熱全過程仿真分析

張曉林，王德明

（中交路橋華東工程有限公司，上海201203）

1 工程概況

溫塘特大橋主橋采用95m+180m+95m 連續鋼構，為預應力混凝土變截面懸澆箱梁，4 號和5 號主墩采用雙肢薄壁墩，左右幅合設一個承臺，平面尺寸為26m×17m，厚度為5m，采用C30 混凝土，墊層采用C25 混凝土。模板采用組合鋼模板，一次澆筑成型施工工藝。采取混凝土內布設冷卻水管，承臺頂蓄水養護及承臺側模覆蓋保溫層的措施確保大體積承臺的質量。

2 模型的建立

2.1 材料特性

承臺采用C30 混凝土，配合比（kg/m3）為∶水泥∶粗骨料∶細骨料∶水∶外加劑∶摻合料=179∶1073∶810∶158∶3.59∶180；墊層采用C25 混凝土。

2.2 混凝土的熱力參數

混凝土物理熱學特性參數如表1 所示。

表1 混凝土物理熱學特性參數

2.3 邊界條件

水化熱分析的邊界條件分為有限元模型位移邊界條件和熱傳導分析邊界條件。其中，熱傳導分析邊界條件包括單元對流邊界、單元固定溫度邊界以及與熱傳導分析相關的環境溫度函數、對流系數函數和熱源函數[1]。

2.3.1 環境溫度函數

環境溫度對承臺混凝土溫度的影響非常顯著，因為原材料初始溫度、混凝土料運輸入倉、澆筑層的邊界散熱均受到環境溫度的直接影響[2]。可以說除水泥水化熱外，氣溫是直接影響混凝土溫度的最主要因素。氣溫的變化會對混凝土的溫度產生較大的影響，也是引起混凝土裂縫的重要原因，并成為計算溫度應力和制定溫控措施的重要依據[3]。

考慮到溫塘特大橋承臺大體積混凝土的施工時間在12 月中旬至1 月之間，參考歷史氣象資料，統計得到近3～4 年的月平均氣溫，如表2 所示。

表2 近年氣象資料統計℃

2.3.2 對流系數函數

對流系數函數反映了流體與固體表面之間的換熱能力。表面對流系數的數值與換熱過程中空氣的物理性質、換熱表面的形狀、部位、表面與空氣之間的溫差以及空氣的流速等都有密切關系。物體表面附近空氣的流速愈大，其表面對流系數也愈大。固定表面在空氣中的放熱系數與風速有關，其在空氣中的散熱系數可用公式估算：β=23.9+14.5Va（式中，Va為風速，m/s）。當固體表面采取了保溫措施，可以根據保溫材料的相關參數換算等效對流系數[4]。

2.3.3 熱源函數

熱源函數一般可以根據混凝土的配合比進行絕熱溫升測試，試驗依據DL/T 5150—2001《水工混凝土試驗規程》絕熱溫升方法進行，承臺施工用C30 混凝土，參考配合比參數，7d 絕熱溫升取44.8℃（見圖1）。

圖1 C30 混凝土絕熱溫升擬合曲線

2.3.4 初始溫度條件

初始溫度即為混凝土的入模溫度。入模溫度越高，導致峰值溫度越高，容易出現過大內外溫差。但入模溫度過低，則易導致混凝土難以初凝。根據現場施工條件，可采取有效措施控制混凝土的入模溫度在15℃以內[5]，但建議最低溫度不得低于8℃。因此，計算時取入模溫度為15℃。

2.3.5 溫度條件

橋址區域屬亞熱帶溫暖濕潤氣候，年均降雨量為1 200～1 430mm，年均蒸發量1 350～1 650m，年平均氣溫16.5～17.5℃，極端最高氣溫40.1℃，極端最低氣溫-12.1℃，年平均風速1.5～2.2m/s，最大風速40m/s。因此，計算分析時，按照該溫度條件進行計算。

2.3.6 冷卻水管

冷卻管布置為4 層，分別在80cm、190cm、300cm、410cm處，每層布置1 根環形管，以及2 根核心冷卻管；冷卻管水平管間距為100cm，距離混凝土表面100cm，距離混凝土側面100cm，具體參數如表3 所示。

表3 冷卻水管參數

現場制作2 個水箱，一個作為冷循環水箱，為承臺提供冷卻水；另一個作為儲水箱，用于收集承臺排出的循環水。循環水箱容積大于5m3，與承臺頂面要保證水頭差在5m 以上，保證冷卻水有足夠的水頭差。如條件不具備，則采用分水器加壓。儲水箱置于承臺冷卻水管出水口處，容積大于2m3。儲水箱和循環水箱采用水泵相連。

現場同時配備6 臺15kW 的水泵，其中2 臺用于抽取水到冷循環水水箱中，2 臺用于抽回收循環水水箱中熱水到冷循環水水箱中，2 臺備用。冷卻水管采用φ50mm×2.5mm 型，每根水管進出水分別進行編號，進水口設置單獨的閥門，以控制流量。混凝土升溫期直取冷水作為冷卻水，混凝土降溫期采用溫水作為循環水，并控制進水溫度與混凝土內部溫度之差≤25℃。溫水的來源為儲水箱溫水抽回至循環水箱混合。若循環水進水溫度不滿足要求，采用大功率電熱水器或者鍋爐燒熱水補充熱循環水

實施過程：混凝土澆筑前進行不短于30min 的加壓通水試驗，查看水流量大小是否合適，發現管道漏水、阻水現象及時修補至可正常工作。第1 層混凝土澆筑開始即開通第1 層水管，混凝土覆蓋第2 層冷卻水管即開通2 層水管。第2 層混凝土澆筑開始即開通第3 層水管，混凝土覆蓋第4 層冷卻水管即開通第4 層水管。混凝土升溫階段初始采用直取冷水降溫，水量約為2～2.5m3/h；混凝土溫度超過一定值后利用冷卻管的出水補充熱水控制進水溫度與內部最高溫度差≤25℃。降溫期間控制降溫速率≤2℃/d。如降溫速率過快，則酌情調小閥門，控制流量。

3 有限元模型

根據上述混凝土熱工參數，環境溫度，混凝土入模溫度，冷卻水管通水溫度條件，以及擬采取的混凝土表面保溫措施等，進行混凝土水化熱溫度場和應力場計算分析。采用六面體網格單元，兼顧計算效率和分析精度，承臺劃分3.75×104單元數，建立封底混凝土層厚度，考慮了封底混凝土層對承臺底部混凝土的熱傳導性能的影響，同時計算時考慮了混凝土收縮徐變對溫度應力場的影響。模型如圖2 所示。

圖2 溫塘特大橋主墩承臺有限元模型圖

針對承臺實際情況，分析工況如下：承臺一次澆筑成型，布設4 層冷卻水管，承臺頂面蓄水保溫，側壁鋼模覆蓋保溫對流系數采用25kJ/（m2·h·℃），頂面蓄水養護對流系數采用15kJ/（m2·h·℃），入模溫度15℃，環境溫度按照施工時間取值，混凝土絕熱溫升44.8℃。

節點的溫度時程曲線可以有效反映關鍵控制節點溫度隨承臺水化熱進程的變化過程；在核心溫度區域和分層澆筑表面布置典型的溫度監控點，監控施工全過程關鍵控制節點的溫度變化情況[6]。

節點的應力時程曲線可以有效反映關鍵控制節點應力隨承臺水化熱進程的變化過程；在核心應力區域和分層澆筑表面布置典型的應力監控點，監控施工全過程關鍵控制節點的應力變化情況。承臺的應力監控點同溫度監控點。承臺的溫度、應力監控點分布情況如圖3 所示。

4 分析計算結果

4.1 溫度結果

承臺關鍵節點溫度計算結果如表4 所示。

圖3 承臺溫度、應力監控點分布情況

表4 承臺溫度結果

4.2 應力結果

承臺關鍵節點應力計算結果如表5 所示。

表5 承臺應力計算結果

經建模分析計算，承臺最大峰值溫度為53.7℃，最大內外溫差＜25℃，應力安全系數＞1.4，滿足溫控規范要求。

5 結語

以溫塘特大橋主橋大體積混凝土承臺為背景，充分考慮了工點施工的實際因素，通過三維有限元軟件嚴謹合理地進行水化熱全過程仿真分析，確保了結構安全，降低了施工風險，保證了施工質量，為下步施工工序奠定了堅實基礎，也為后續的類似工程提供相應的經驗。