特大橋承臺大體積混凝土溫控分析

鄧珊

［摘 要］本文運用三維有限元軟件MIDAS/FEA，對某特大橋承臺大體積混凝土水化熱進行了仿真分析。建模綜合考慮了冷卻管布置、邊界條件以及施工單位提供的施工步驟、橋址施工季節氣溫等參數，以期準確模擬承臺在既定條件下的水化熱過程，獲得準確的水化熱三維溫度場有限元分析結果，準確指導現場施工混凝土配比及后期溫控工作。實際效果表明，優化后的溫控方案有良好的的適用性，取得了理想的溫控效果。

［關鍵詞］大體積混凝土；有限元；水化熱；溫度場；溫控

［中圖分類號］TU7 文獻標志碼：A

隨著我國橋梁技術的高速發展，越來越多的大跨徑橋梁工程得以實施，與之配套的，橋梁也越來越多地使用大體積混凝土構件，大體積混凝土在澆筑過程中不可避免地會有溫控防裂的要求。為此，大體積混凝土水化熱分析及溫控措施成為業內人士關注的焦點。已有不少從業人員對冷卻水的冷卻效果［1］、澆筑材料溫度對水化熱的影響［2］、混凝土澆筑期間內表溫度控制、施工期后的養護溫度控制及養護時間等［3］進行了研究。在上述研究的基礎上，本文基于某大跨徑橋承臺實際工程應用分析，通過有限元仿真模型的相關成果，對溫控方案進行了優化，對水泥用量進行了分析控制，提出了更為科學可行的溫控方案。

1 工程概況

某多跨連續梁橋位于湖南省內，為二級公路，設計速度40 km/h，橋梁全長462 m，為預應力混凝土懸澆連續鋼構橋，橋址區屬于典型的山區深切峽谷地貌。該橋主跨兩側的承臺高5 m，側向尺寸15 m左右，混凝土總方量1 000余方。根據施工順序，對最早實施的承臺作為水化熱監控對象，提取分析數據后，指導另一處承臺施工。

2 冷卻管布設優化

在實施前，先對冷卻管布置圖進行了優化，施工圖提供了橋墩承臺的冷卻管參考布置圖，結合既有項目及相關研究［4］，認為橋墩承臺的冷卻管參考布置圖存在以下缺點：

第一，冷卻管沿短邊側布設，彎頭均在長邊側，導致冷卻管彎頭較多。

第二，采用直徑28 mm的冷卻管，直徑偏小。

第三，冷卻管距承臺外緣最小厚度60 cm，距離過近。

前兩點會導致冷卻效率低，第三點會導致更大的內外溫差。

考慮到承臺分2層澆筑，每層250 cm，溫控方案按每層沿高度布設2套冷卻管，每層設置2套冷卻水進出口。2套冷卻管間距80 cm，距離承臺長邊85 cm、短邊80 cm，冷卻管間距110 cm，冷卻管采用Φ42×2.5 mm型。

3 承臺水化熱有限元仿真計算

3.1 有限元模型的建立

3.1.1 混凝土熱力參數

一般材料特性［5］：承臺混凝土C35。混凝土物理熱學特性參數如表1所示。

3.1.2 邊界條件

本文將水化熱分析的邊界條件分成兩類：有限元模型位移邊界條件和熱傳導分析邊界條件。在這些熱傳導分析邊界條件中，包含單元對流邊界、單元固定溫度邊界、環境溫度函數、對流系數函數和熱源函數［6］。

3.1.2.1 環境溫度函數

由于原材料初始溫度、混凝土料入倉和澆筑層界面的散熱性等因素會受到環境和溫度的影響，因此也可以說是環境溫度對承臺混凝土溫度有很大的影響。除了水化熱之外，氣溫對混凝土溫度的影響最為顯著，是造成混凝土開裂的主要因素，同時也是進行溫度應力計算和制定溫控措施的基礎［7］。氣溫的定義應當依據施工季節的天氣情況確定，在實際建模時，環境溫度參數參考各承臺計劃的施工工期取值［8］。

3.1.2.2 對流系數函數

對流系數函數能夠反映流體與固體表面間的換熱能力。表面換熱系數的大小與空氣的物性、換熱表面的形狀和位置、表面與空氣間的溫度差異及流速等因素有關。在一定條件下，物體表面周邊的空氣流速越大，表面對流系數也就越大［9］。

3.1.2.3 熱源函數

熱源函數可以根據混凝土的配合比進行絕熱溫升試驗，試驗依據相關規范中絕熱溫升方法進行。

3.1.2.4 單元固定溫度邊界

單元固定溫度邊界即單位溫度不會隨著時間的推移而改變。在所建模型中，對承臺的兩側和底部都進行了考慮，設定單元固定溫度邊界條件［10］。

3.1.2.5 初始溫度條件

初始溫度條件是指混凝土的入模溫度條件。隨著模具的進入，模具的最高溫度將會升高，模具的內部和外部的溫差將會變得很大。但是，較低的入模溫度也會使混凝土的初凝變得困難。因此在施工工程中應采取行之有效的方法，將混凝土的入模溫度控制在25℃以下，計算時取入模溫度為25℃。

3.1.3 管冷

模型中輸入管冷相關參數如表2所示。

3.1.4 施工階段

本模型的施工階段按照實際的施工計劃模擬，每一層澆筑即為一個施工階段。在每一階段激活相對應的網格特性、邊界條件、荷載等。最終穩定控制標準見表3。

3.2 有限元模型

以上述混凝土熱工參數、環境溫度、混凝土入模溫度、管冷通水溫度條件為依據，結合擬采取的混凝土表面保溫措施等，計算和分析混凝土水化熱溫度場。在此基礎上，應用六面體網格單元，考慮到計算效率和精度，將主墩承臺劃分21.6萬單元數。針對不同的承臺面，根據不同的施工條件，確定了封底混凝土層厚度，探討封底混凝土層對承臺底部混凝土的熱傳導性能的影響。

3.3 計算結果

參考配合比情況，計算了每立方混凝土水泥用量分別為250 kg、300 kg、324 kg三種工況。這里給出第一層中心和表面，以及第二層中心和表面的代表測結果。計算結果小結如表4所示。由計算結果可知，水泥用量為324 kg時，表面和核心均有開裂風險。基于計算結果，建議應控制每立方混凝土水泥的用量在300 kg以內。

承臺混凝土第一次澆筑于當天上午8：30開始澆筑，澆筑方量500余方。混凝土澆筑完畢后18 h達到溫峰59.1℃。溫峰過后混凝土內部溫度緩慢下降，降溫速率穩定。

第二層混凝土澆筑在第10天后的下午進行，澆筑方量約400余方。混凝土澆筑完畢后16 h達到溫峰62.3℃。溫峰過后混凝土內部溫度緩慢下降，降溫速率穩定。第一周至第六周監測結果如表5所示。

第一周第一層澆筑后，承臺內部最高溫度為59.1℃，在澆筑20 h后達到。建模預測的最高溫度為61.1℃，較為準確；但建模預測的達峰溫時間為68 h，有較大的出入。分析原因為混凝土初凝時間過短，導致早期水化放熱快。

第二周第二層澆筑后，承臺內部最高溫度為62.3℃，在澆筑20 h后達到。建模預測的最高溫度為61.1℃，較為準確；但建模預測的達峰溫時間為68 h，有較大的出入。分析原因為混凝土初凝時間過短，導致早期水化放熱快。

第三周監測第一層混凝土核心溫度為48.8℃，第二層混凝土核心最高溫度為51.6℃，最大內表溫差為13.2℃。

第四周監測第一層混凝土核心溫度為44.6℃，第二層混凝土核心最高溫度為43.2℃，最大內表溫差為15.7℃。

第五周監測第一層混凝土核心溫度為41.9℃，第二層混凝土核心最高溫度為39℃，最大內表溫差為14.7℃。

第六周監測第一層混凝土核心溫度為39.8℃，第二層混凝土核心最高溫度為37.9℃，最大內表溫差為11.1℃。

由于承臺所在位置為典型山區峽谷地帶，受溫度變化大、大風等不利溫控的外部條件影響，在混凝土澆筑后表面降溫較快，現場采取了用彩條布覆蓋側模表面的覆蓋保溫措施，同時維持承臺頂面蓄溫水＞10 d，且蓄溫溫度與核心溫度溫差控制在15℃以內。

兩次澆筑的入模溫度為25.3℃、25.6℃，略微超過建模的入模溫度，是澆筑當天氣溫高，日照強烈，混凝土入模溫度隨之升高所致。在后續墩承臺澆筑施工時，施工單位采取了針對性措施，降低了入模溫度，取得了更好的溫控效果。

考慮到復雜的外部條件，現場適當延長了拆模時間，控制拆模時間＞10 d。

5 結論與建議

大體積混凝土溫控重點首先應是控制水化熱總量，建議提前做好原材料適配工作，建議控制水泥用量。

大體積混凝土溫控第二個重點是控制內外溫差，防止裂縫產生，建議適當外摻緩凝劑，以延緩峰溫出現的時間，降低峰值溫度。

現場應結合施工現場情況，采取措施降低入模溫度，這更有利于控制內表溫差。同時，也要做好針對大溫差及大風等不利外部條件的應急預案。

溫控方案應結合施工方案及外部環境情況設計冷卻管布設，提高冷卻效率，避免加劇內表溫差。

大體積混凝土應根據外部環境制訂養護方案，澆筑完成后加強養護，嚴格保證養護時間，不利條件下還應適當增加養護天數。

溫控期間，建議適當增加水泵數目，同時控制好水箱中出、入水口的距離，保證冷卻效率。

參考文獻

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