某剛構橋承臺水化熱溫度場研究與施工控制

韓朝輝 周興林 寧曉駿 張清旭 韓晶晶 董福民

(1．昆明理工大學建筑工程學院 昆明 650500； 2. 基準方中建筑設計有限公司鄭州分公司 鄭州 450000)

0 引言

承臺大體積混凝土在橋梁施工中是關鍵構件，尤其對于特大橋而言更是如此[1]。控制大體積混凝土的水化熱反應帶來的不利影響是施工中最關鍵的步驟，該反應會使混凝土發生收縮或者膨脹，然后產生由溫度應力導致的表面裂縫或者貫穿裂縫等[2]，這是因為混凝土在發生水化熱反應的時候，會產生許多熱量，但是混凝土內部散熱慢，而混凝土的表面散熱快，這就產生了溫差從而也導致了溫度裂縫的出現[3-4]，解決這個問題常用方法是采用冷卻水管制冷。唐楊等[5]從冷水管布置方式及參數方面對承臺水化熱進行了分析，得出冷水管不同布置方式和進水方向能夠對水化熱產生有效的降溫作用。張文博等[6]研究粉煤灰對大體積混凝土的影響，得出適當摻加粉煤灰能有效降低水化熱溫度和提高混凝土的抗裂性能。楊慧等[7]對施工期間承臺的水化熱溫度場進行分析，得出采用優化后的混凝土配合比以及布置冷卻水管等溫控措施可以降低水化熱溫度。占玉林等[8]分析了冷卻水溫度對水化熱的影響，得出冷卻水溫度應與環境溫度保持一致。張永健等[9]、吳乾坤等[10]采用有限元軟件對水化熱進行模擬分析，得出水化熱溫度場的分布規律以及一些有效的溫控措施。

以云南省某特大剛構橋的承臺大體積混凝土為例，采用MIDAS/FEA有限元軟件建立實體模型，模擬承臺的水化熱溫度場與冷卻水管的降溫作用，并結合實測數據進行比較，研究冷卻水管的參數對大體積混凝土水化熱反應的影響，為后續工程中的大體積混凝土的施工應用提供借鑒。

1 工程背景

某特大橋是云南省某高速上的關鍵控制性工程，跨越山谷而建設，大橋主跨為(85+3×160+85)m，采用預應力混凝土連續剛構，主橋寬為12.5 m，下部結構為雙肢薄壁高墩，主墩最高為158 m，對應墩號為6#～9#，其中6#和9#為交界墩，7#和8#為主墩，主墩承臺尺寸為20.5 m×20.5 m×5.5 m，采用分層澆筑施工方法，能有效降低混凝土的最高溫度并減少出現溫度裂縫的幾率。

2 有限元仿真模型的建立

2.1 模型建立

在Midas/FEA中建立承臺混凝土模型和地基基礎模型，并按照實際尺寸建立實體模型，地基基礎模擬尺寸為30 m×30 m×4 m，均采用六面體實體單元，其中承臺混凝土共分割了18 491個單元，地基基礎共分割了11 236個單元，并且為了更精確模擬水化熱反應，將模型所有單元均設置為二階，在每個面上會多增加2個節點，最后模型共計有131 556個節點，模型見圖1所示。

圖1 有限元實體模型

2.2 模型材料參數的定義

承臺采用C30混凝土，水泥型號為普通硅酸鹽水泥P.O.42.5，混凝土配合比見表1，C30混凝土彈性模量為3×107kN/m2，重量密度為25 kN/m3，泊松比為0.2，其熱工參數：傳導率為2.7 W/(m·℃)，比熱為1.176 kJ/(kg·℃)。

表1 混凝土配合比

地基主要為土基礎，土的彈性模量為10 000 kN/m2，重量密度為26 kN/m3,泊松比為0.2，土的熱工參數：傳導率為3.45 W/(m·℃)，比熱為0.784 kJ/(kg·℃)。在定義混凝土收縮徐變時，依據CEB-FIP規范，C30混凝土28 d的抗壓強度為30 000 kN/m2，年平均相對濕度為70%，材料開始收縮時混凝土材料設定為3 d。在定義混凝土抗壓強度時，依據ACI規范定義a值為4.5，b值為0.95。

2.3 邊界條件與荷載的定義

本模型為三維空間實體模型，模型邊界主要約束土體，在地基基礎四面及底面加三向位移約束，混凝土及地基基礎頂面與模板接觸面設置對流邊界，對流邊界中的對流系數設置為14 W/(m2·℃)，施工現場的平均大氣溫度為20 ℃。

在計算模型中主要的荷載是冷卻水管的溫度荷載與混凝土水化熱反應所產生的熱源，其中熱源函數定義中的最大絕熱溫升利用《大體積混凝土施工標準》附錄B的計算公式可得為35.2℃，滿足規范中對于入模溫度基礎上的溫升值不大于50 ℃的規定。冷卻水管采用直徑為0.028 m的無縫管道，對流系數為375 W/(m·℃)，冷卻水的比熱為4.186 kJ/(kg·℃)，質量密度為1 kN/m3，入水溫度為15 ℃，流量為1.5 m3/h。

2.4 冷卻水管的布置

承臺共布置5層冷卻水管，每層冷卻水管豎向間隔1 m，最下面一層冷水管離混凝土底面50 cm，最上面一層冷水管離混凝土頂面1 m。單數層按照布置方式一布置冷卻水管(見圖2)，雙數層按照布置方式二布置冷卻水管(見圖3)，每一層冷卻水管離混凝土邊緣50 cm，并且冷卻水管回路間距50 cm，交叉布置進出水口。

圖2 冷卻水管布置方式一

圖3 冷卻水管布置方式二

3 有限元分析

3.1 實測數據與模型數據對比

該特大橋承臺分為兩次澆筑，第一次澆筑3 m，需要混凝土1 260.7 m3，第二次澆筑2.5 m，需要混凝土1 050.6 m3，承臺澆筑過程之間的間歇期為7 d。分別選取每次澆筑混凝土表面中心點和內部的中心點(見圖4)，監控數據與仿真模擬數據進行對比，如圖5所示。

圖4 控制點示意

(a)第一層澆筑表面點數據對比

通過數據對比，可以得出混凝土實測數據與模擬數據相差不大，但也存在一些溫度上的差異，實際溫度下降的速率是要快于模擬溫度下降的速率，這是因為在實際空氣中對流系數是一個不穩定的變量。

混凝土內部溫度最高峰值一般出現在澆筑完成后50 h左右，表面溫度最高一般發生在澆筑完成后30～50 h左右。利用實測數據可計算承臺混凝土第一層最高溫度為44.65 ℃，第二層最高溫度為44.86 ℃，均滿足溫控標準(≤52 ℃)的規定；第一層澆筑層的混凝土最大內表溫差為14.70 ℃，滿足溫控標準(≤28 ℃)的規定；第二層澆筑層的混凝土最大內表溫差為15.08 ℃，滿足溫控標準≤25 ℃的規定。通過數據對比可得出有限元模擬的數據與實際數據相接近，說明該計算模型滿足有限元分析的要求。

3.2 有無冷卻水管的比較分析

在沒有冷卻水管的情況下，計算模型的混凝土內部中心點的溫度變化如圖6所示。從圖6可得出混凝土內部的溫度峰值在澆筑完成后170 h左右出現，第一層混凝土最高溫度為61.52 ℃，第二層混凝土最高溫度為62.14 ℃，第一層混凝土內外溫差為33.34 ℃，第二層混凝土內外溫差為34.1 ℃，均超過了規范所要求的內外最大溫差限值，故需要在承臺大體積混凝土中布置冷卻水管來降低混凝土溫度，以滿足規范要求。

圖6 無冷卻水管混凝土中心點的溫度曲線

在有冷水水管的情況下，混凝土一澆筑完成后馬上通水降溫，計算模型的混凝土內部中心點的溫度變化如圖7所示，從圖7可得出在通水冷的情況下，混凝土內部溫度峰值在50 h左右出現，第一層混凝土最高溫度為43.71 ℃，其內外溫差為14.76 ℃，第二層混凝土最高溫度為44.11 ℃，其內外溫差為14.84 ℃，均滿足規范要求。

圖7 有冷卻水管混凝土中心點的溫度曲線

3.3 冷卻水管參數的分析

冷卻水管的尺寸與冷卻水的入水溫度以及水的流量等參數都將影響著混凝土水化熱的反應，合適的取值可以有效的控制混凝土溫度從而防止溫度裂縫的產生，保證大體積混凝土的正常使用。

現將冷卻水的入水溫度與水的流量相結合，其他參數均按照之前所定義的不變，選取了入水溫度(15、10、5 ℃)以及水的流量(1.5、1.2、0.9 m3/h)2個變量進行不同工況的組合，記錄每層澆筑層的表面點與中心點的最高溫度峰值，其結果見表2。

表2 不同入水溫度、水流量工況組合下各點的最高溫度峰值 ℃

續表2

如表2所示，可得出第一層和第二層澆筑層的中心點溫度都是不斷降低的，表面點的溫度下降不太明顯；入水溫度越低，水的流量越大，其降溫作用越明顯，說明入水溫度的降低和水的流量增大能有效的降低混凝土最高溫度；但也存在一點是入水溫度過低會導致冷卻水管周圍的混凝土拉應力過大，若超過了混凝土允許的抗拉強度時就會出現溫度裂縫，而且澆筑第二層混凝土的時候，不僅需要考慮第二層的混凝土溫度，還要考慮前一次澆筑的老混凝土與冷卻水的溫差，所以冷卻水溫度要保證在施工環境溫度左右就能達到比較有效的冷卻作用，故本工程采用入水溫度為15 ℃是比較合理的。

3.4 冷卻水管的直徑比較分析

冷卻水管的直徑大小對混凝土水化熱具有較大的影響，選擇合理的管道直徑能使大體積混凝土的最高溫度峰值得到有效的控制。現選用不同的管道直徑與不同水的流量進行不同工況組合比較，并選取每層澆筑層的表面點與中心點的最高溫度峰值，其他參數均與實際工程的參數一致，見表3。

表3 不同管道直徑、水流量工況組合下各點的最高溫度峰值 ℃

續表3

比較組合3與組合12，在水的流量相同情況下管道直徑增大了60%，最高溫度峰值僅降低了1%，其降溫效果不太明顯。通過表3可得出管道直徑的增大對混凝土表面溫度影響不大，對混凝土內部溫度影響比較小，增大管道直徑對降溫效果不太明顯，并且會消耗管道材料從而增加施工的成本。

3.5 混凝土入模溫度比較分析

承臺澆筑混凝土時的入模溫度對大體積混凝土的溫度控制和防止裂縫產生具有重要影響。選用本工程實際參數，采用不同的入模溫度(10、15、20、25 ℃)對水化熱的影響進行比較分析，同樣選取每層澆筑層的表面點與中心點的最高溫度峰值，見表4和圖8。

表4 不同入模溫度下各點的最高溫度峰值 ℃

由表4與圖8可得出：混凝土的入模溫度越高，混凝土內部溫度峰值也越高，反之入模溫度越低，其混凝土內部溫度峰值也越低；同時各澆筑層中心點溫度變化幅度很大，表明選取合適的入模溫度非常關鍵，能有效降低混凝土內部溫度峰值和防止內外溫度過大而出現溫度裂縫。結合本工程施工現場的環境溫度為年平均溫度20 ℃，所以采用入模溫度為20 ℃是符合實際工程要求的。

(a)第一澆筑層不同入模溫度變化曲線

4 結論

通過MIDAS/FEA有限元軟件對冷卻水管的參數進行有限元模擬分析和實際工程對比，可以得出以下結論：

(1)數值模擬數據與實測數據相比兩者差異不大，說明有限元計算結果是正確的，但是現實中空氣的對流系數始終是一個不穩定的變量，實際的溫度速率會快于模擬的溫度速率，所以在進行有限元模擬時需要考慮該點的不確定性，選用多種不同組合工況進行比較分析，以增加有限元計算的可靠性。

(2)在沒有布置冷卻水管的情況下混凝土內部溫度與表面溫度相差很大，此時容易產生溫度裂縫從而導致混凝土構件損壞。在布置冷卻水管的情況下混凝土表面點溫度與內部中心點溫度均能滿足規范的要求，因此對于尺寸大、厚度高的大體積混凝土構件可采用布置冷卻水管的方法有效降低混凝土的內外溫差，防止混凝土構件出現溫度裂縫。

(3)入水溫度、水的流量對混凝土水化熱都有不同程度的影響，入水溫度越低，流量越大，冷卻效果越好；但不能過于降低入水溫度，這會導致在冷卻水管周圍出現溫度裂縫，并且在澆筑第二層的時候不能保證前一層已經冷卻的混凝土與冷卻水的溫差，所以冷卻水溫度最好選擇在施工環境溫度左右，這樣就可以達到比較好的降溫效果。

(4)管道直徑不是越大越好，在其他參數相同的情況下只改變管道直徑對冷卻作用的影響不太明顯，參照規范《大體積混凝土溫度測控技術規范》要求，一般管道直徑采用20～50 mm即可。

(5)選擇合適的入模溫度對混凝土的最高溫度峰值有降溫作用，參照規范《大體積混凝土施工標準》要求(入模溫度一般控制在5～30 ℃)，本工程入模溫度采用與現場環境溫度相差不大的20 ℃，能有效的降低混凝土內部溫度峰值，確保施工質量。