大體積混凝土承臺施工水化熱控制研究

羅曉東 祖民星

大體積混凝土澆筑會產生大量的水化熱導致結構裂縫出現，對結構穩定性和耐久性造成不利影響。文章以白坡特大橋主墩承臺大體積混凝土澆筑為研究背景，對比Midas Civil有限元軟件模型計算結果和水化熱實測數據，進一步優化模型，改進水流速率、進水溫度、冷卻管的尺寸及布置，使模型數據更貼近實際水化熱數據，更具有指導意義。

橋梁工程;大體積混凝土;水化熱;溫度;仿真模擬;有限元計算;晝夜溫差;冷卻管

U443.25A341184

0 引言

本文采用白坡特大橋主墩承臺作為研究對象。山區橋梁施工中，存在海拔高、施工難度大、晝夜溫差較大等問題，對承臺水化熱控制困難，水化熱散發不及時造成承臺內外溫差過大，產生溫度裂縫，內部溫度急劇上升，產生的溫度應力導致結構開裂和結構損傷。對比Midas Civil有限元軟件模型計算結果和水化熱實測數據，對模型進一步優化，改進水流速率、進水溫度、冷卻管的尺寸及布置，使模型數據更貼近實際水化熱數據，更具有指導意義。同時，由于山區水資源匱乏，降溫到一定溫度時，需采用循環水，以節約資源，避免水資源匱乏造成的冷卻管中途斷水，對實體結構物帶來更大的危害，影響結構穩定性和耐久性[1]。

1 工程概況

白坡特大橋主橋設計橋型為連續鋼構，跨徑組合為（70+130+70）m，主橋墩位于山體陡坡上，地形有起伏，橫跨V形山谷，海拔為1 237.4～1 169.8 m，相對高差為67.6 m，該橋址區晝夜溫差大，立體氣候明顯，干濕分明，年平均降水量約960 mm，水資源匱乏。

承臺尺寸為14.6 m×9 m×4 m，采用C40混凝土，用一次性澆筑成型的方法進行施工。布置3層內徑40 mm、壁厚2.5 mm鋼管作散熱冷卻管，采用架立鋼筋固定，冷卻管水平方向間距為100 cm，第一、二層離承臺側面距離都是80 cm，兩層之間間距1 m，每層設有2個進水口及2個出水口。

由于該地區缺水，在承臺施工前，在距離主墩承臺右下方200 m處設置有一蓄水池，蓄水池大小為20 m×6 m×5 m，蓄水池在承臺施工時已蓄滿水，以解決水資源匱乏的難題。通過2臺水泵24 h不間歇抽水至承臺冷卻管內，24 h派人專門看守，以確保承臺24 h處于濕潤狀態。

承臺內部布設3層內徑40 mm、壁厚2.5 mm鋼管作散熱冷卻管。布設溫度監測點，實時對水化熱數據進行監測。

2 建模及參數計算

2.1 計算參數

白坡特大橋主墩承臺采用C40混凝土，根據相關規范計算各項參數如下：

（1）C40混凝土配置強度。

設計強度fcu，k=40 MPa，根據相關資料，每立方米混凝土的材料用量如表1所示[2]。

（2）承臺模型參數。如表2所示。

（3）冷卻管布置參數如表3所示。

2.2 模型建立

采用Midas Civil有限元軟件建立大體積承臺模型，對白坡特大橋主墩承臺進行整體有限元建模和分析，承臺實體模型共計3 380個節點，2 552個單元，取1/4模型進行分析[3]。

定義邊界條件，約束地基表面平移自由度。

定義施工階段為10 h、20 h……360 h，環境溫度函數取20 ℃，對流系數取12 kcal/（m2·h·℃），固定溫度為20 ℃，熱冷管通水100 h。如圖1所示。

2.3 計算結果

選取混凝土達到最高溫度時內部2個點和進水口附近1個點進行監控，混凝土內部選取節點29、節點381、節點439，如圖2所示。

經測溫計實測數據如圖3所示。

實測數據與計算出現偏差的主要原因分析為：實際環境中的各項參數與理論模型部分是不相符的，但計算結果出現最高溫度位置和實際環境最高溫度基本吻合，具有參考價值。

3 模型優化及參數優化

由Midas Civil溫度時程曲線和實測時程曲線對比可知，理論和實測溫度有偏差。

實測承臺中午環境溫度為30.2 ℃，夜晚00：00環境溫度為10.0 ℃，晝夜溫差超過20 ℃，建模時未考慮環境溫度變化，導致理論和實際有所偏差。

從冷卻管參數進行分析，其管徑采用設計推薦尺寸，由此對管冷進水溫度、冷卻水流量這兩個參數進行分析，對模型進行優化，更貼近于實際值，由此更進一步精確建模數據，對后續承臺水化熱施工提供更有力的數據分析。

將冷卻管流量根據實測水流速度調整為1.5 m3/h后，將冷卻管進水口溫度調整為實測水溫19 ℃，將環境溫度調整為25 ℃，將冷卻管進水時間按照實際控溫時長調整為150 h。

建立模型時，從可控的客觀條件對水化熱模型進行調整，調整水流速率、冷卻管直徑、冷卻管布設間距及承臺澆筑溫度，對比分析后選擇合適的控溫措施。由于山區缺乏水資源，待承臺內部水化熱溫度達到某個值時，還需要使用循環水進行降溫。

3.1 對比流速

冷卻管流量為1 m3/h、1.5 m3/h、1.8 m3/h、2.5 m3/h的工況在10 h、30 h、40 h、50 h、70 h、90 h、100 h、150 h、200 h時對數值模擬進行分析。

由表4可知，冷卻管的冷卻效果隨著冷卻水的流量而變化，水流量越大，冷卻效果越好，在水流量超過1.8 m3/h增加至2.5 m3/h時，降溫效果反而較差。因此選取水流量為1.8 m3/h較為合理，其冷卻效果良好，避免水資源浪費。

3.2 對比冷卻管間距

冷卻管的密集程度能夠有效降低水化熱的溫度和峰值，當冷卻管間距過密時，影響混凝土的澆筑、振搗。冷卻管布設選取水平間距分別為0.8 m、1 m、1.5 m等工況進行對比分析，其內部核心點溫度如圖4所示。

由圖4可知，承臺水化熱降溫速率隨著冷卻管豎向間距的變化而變化，水平間距越密，冷卻效果越好，在冷卻管間距<0.8 m時，冷卻管降溫速率不再變化，因此選取0.8 m的布置間距比較合理，避免了材料的浪費。

3.3 承臺澆筑溫度

承臺澆筑的時段不同，澆筑的溫度不同，對承臺大體積混凝土結構施工過程中產生裂縫有重要影響，分別選取早上20 ℃、中午30 ℃、晚上15 ℃的溫度進行對比。

從圖5可以看出，承臺水化熱結果隨澆筑溫度的升高而升高，需要選取合適的澆筑溫度才能有效降低承臺內部水化熱峰值。選取混凝土的澆筑時間在下午，溫度為15 ℃，以滿足工程實際需要。

4 結語

通過Midas Civil有限元模型對施工進行指導時，建模理論要根據現場實際情況來綜合考慮，使理論建模數據更加具有實際指導意義。具體結論如下：

（1）施工前，要對目前施工現場所具有的資源條件進行分析。在缺水、晝夜溫差較大的情況下，采用Midas Civil有限元模型對承臺水化熱進行分析時，應考慮在水化熱降低至平穩時采用循環水，既可以節約水資源，避免水化熱排放的污水對周邊環境造成影響，還可避免水資源匱乏造成的冷卻管中途斷水對實體結構物帶來更大的危害，影響結構穩定性和耐久性[4]。

（2）通過調節冷卻管進水口溫度、冷卻管間距、冷卻水流速、混凝土施工時間等參數對承臺大體積混凝土水化熱結果進行調整。選擇20 ℃進水口水溫對承臺進行冷卻，采取0.8 m的冷卻管橫向布置間距，1.8 m3/h的冷卻水流速，具備以上條件后，待下午溫度穩定在15 ℃時進行承臺混凝土施工。

（3）理論數據要根據現場實際情況來進行綜合計算，使理論建模數據更加具有代表性，讓理論對實際施工更具指導意義。

[1]JTG TF50-2011，公路橋涵施工技術規范[S].

[2]JGJ 55-2011，普通混凝土配合比設計規程[S].

[3]孫全勝，盧二俠，李 輝.大體積混凝土施工期的水化熱溫度場仿真分析[J]，中外改路，2006，26（6）：159-165.

[4]GB50496-2009，大體積混凝土施工規范[S].