斜拉橋橋塔承臺大體積混凝土水化熱計算分析研究

朱小林

（山西交科公路勘察設計院有限公司，山西太原 030032）

0 引言

斜拉橋是一種高次超靜定結(jié)構(gòu)，其多被用于大跨徑結(jié)構(gòu)的橋梁。由于橋梁結(jié)構(gòu)跨徑較大，為抵抗較大的截面彎矩及應力，橋梁上部結(jié)構(gòu)尺寸較大，這也造成了橋梁結(jié)構(gòu)自重較大[1-3]。橋梁結(jié)構(gòu)自重及活載通常都是經(jīng)橋梁下部結(jié)構(gòu)傳遞到基礎持力層中。大跨徑橋梁由于自身自重較大，橋梁下部混凝土結(jié)構(gòu)尺寸較大，橋梁在下部結(jié)構(gòu)施工時需進行大體積的混凝土澆筑，在進行澆筑時通常會產(chǎn)生大體積混凝土水化熱過大的問題，混凝土散熱性能較差，澆筑過程中產(chǎn)生的水化熱無法被排出，巨大的混凝土內(nèi)外溫差導致混凝土出現(xiàn)較多的受拉裂縫。

我國相關規(guī)范對于大體積混凝土澆筑產(chǎn)生的水化熱裂縫定義為：混凝土結(jié)構(gòu)體積不小于1 m3且由于溫度效應產(chǎn)生的有害裂縫。為防止大體積混凝土澆筑對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利裂縫，我國的施工規(guī)范也規(guī)定了在現(xiàn)場澆筑邊長尺寸為1～3 m 的混凝土時需采取相應的降溫措施[4-7]。

防止大體積混凝土溫度裂縫發(fā)生的措施有多種，常用的措施主要有：設置伸縮縫、設置冷卻水管。本文以某斜拉橋為依托，建立橋梁大體積混凝土水化熱Midas Civil 有限元模型，分析其澆筑前后的混凝土溫度變化規(guī)律。

1 熱傳導理論

1.1 熱傳導微分方程

在均勻、各向同性固體中取微元dxdydz，如圖1 所示。在單位時間內(nèi)從左界面流入熱量為qxdydz，經(jīng)右邊界流出的熱量為qx+dxdydz。

圖1 六面體示意圖

在一定時間內(nèi)，六面體由于溫度升高所吸收的熱量如式（1）所示，六面體示意圖如圖1 所示。

式中：c表示比熱；τ表示時間；p表示密度。

由熱量的平衡，溫度升高所吸收的熱量必須等于從外面流入的凈熱量與內(nèi)部水化熱之和，即如式（2）所示：

式中：λ表示導熱系數(shù)。

1.2 初始條件和邊界條件

初始條件為混凝土水化熱過程中開始時整個區(qū)域的已知溫度值，即如式（3）所示：

式中：T0= C（已知常數(shù)）表示混凝土的初溫是均勻的；T0=φ（x,y）（已知函數(shù)）表示混凝土的初溫是不均勻的。

邊界條件分四類，第一類邊界條件表示溫度已知且不變；第二類邊界條件表示混凝土表面溫度為時間的已知函數(shù)；第三類邊界條件表示經(jīng)過混凝土表面的熱流量與混凝土表面溫度和氣溫之差成正比；第四類邊界條件表示兩種不同固體接觸時接觸面上的溫度和熱流量都是連續(xù)的。

2 工程概況

2.1 結(jié)構(gòu)形式

大橋主橋采用主跨658 m 雙塔混合梁斜拉橋，索塔為鋼筋混凝土獨柱形塔，橋梁總體布置如圖2 所示。主橋橋跨布置為（70+70+70+658+100+70+70）m，全長1 108 m，為雙塔雙索面半漂浮體系斜拉橋。東、西邊跨各設置2 個輔助墩和1 個過渡墩，主跨658 m，西側(cè)邊跨長210 m，東側(cè)邊跨長240 m，其中100 m 跨跨越河東大堤。主跨和東側(cè)大堤內(nèi)邊跨采用鋼箱梁，西側(cè)邊跨及東側(cè)大堤外邊跨采用混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，采用C55混凝土。河西側(cè)索塔總高度181 m；河東側(cè)索塔總高度181.68 m。下塔柱及中塔柱為分離式的矩形斷面，中塔柱分離斷面通過設置橫梁合并為上塔柱啞鈴型斷面。塔柱斷面從下到上，整體尺寸從15 m×20 m 變化到9 m×11 m。塔底橫橋向西塔15 m，塔頂橫橋向9 m；塔底順橋向西塔20 m，塔頂順橋向11 m。下塔柱標準壁厚1.4 m，中塔柱壁厚1.2 m，上塔柱壁厚1.0 m。

圖2 橋梁總體布置圖（單位：m）

2.2 主要技術(shù)標準

道路等級：城市Ⅰ級主干道；設計車速：60 km/h；車道寬度：雙向六車道，車道寬（3.5+3.5+3.5）m；非機動車道：3.5 m；人行道：2 m（含護欄）；橋梁安全等級：一級；抗風設計：運營階段設計重現(xiàn)期100 年，施工階段設計重現(xiàn)期30 年；抗震設計：地震動峰值加速度為0.05g；設計洪水頻率：1/300。承臺混凝土配合比如表1所示。

表1 承臺混凝土配合比方案

2.3 冷卻水管布置方案

冷卻水管布置方案詳見圖3，澆筑共分3 層，在澆筑過程中為保證每層混凝土溫度不至于過高，在第一澆筑層頂面和底面分別設置第1 層、第2 層水管，在第二澆筑層頂面和底面分別設置第3 層、第4 層水管，在第三澆筑層頂面和底面分別設置第5 層、第6 層水管。

3 有限元模型的建立

依據(jù)相關規(guī)范的規(guī)定：當在對大體積混凝土進行澆筑之前，需要借助有限元的方式對混凝土的溫度應力、收縮應力進行精細的測算。

基于Midas Civil建立1/2大橋主塔連接段建立水化熱計算分析模型，模型與實體結(jié)構(gòu)相同，建模結(jié)果如圖4所示。

圖4 大體積水化熱模型（1/2實體結(jié)構(gòu)）

計算中，氣溫取20 ℃，考慮到現(xiàn)場施工時材料溫度、大氣溫度、模板溫度可能出現(xiàn)差異，將入模溫度取值至20 ℃，混凝土比熱0.25 kcal/kg·℃，混凝土的熱傳導率為2.3 kcal/m·hr·℃，側(cè)面混凝土對流系數(shù)取12 kcal/m2·hr·℃，頂面采用土工布覆蓋保溫，混凝土對流系數(shù)取10 kcal/m2·hr·℃，混凝土絕熱溫升取45.0 ℃，并模擬分層澆筑過程，第1 層澆筑3.5 m，第2層澆筑3 m，暫不考慮布設冷卻水管。

4 分析結(jié)果

4.1 整體溫度分布

橋臺大體積混凝土澆筑后溫度分布如圖5 所示。

圖5 橋臺大體積混凝土溫度分布云圖

由圖可5 知：

a）當?shù)? 層混凝土澆筑13 h 后，混凝土中心溫度可達到38.76 ℃，但混凝土頂面及底面溫度較低，僅為30 ℃左右；當?shù)? 層混凝土澆筑89 h 后，混凝土中心溫度升高到63.84 ℃，混凝土頂面及底面溫度較低僅為23.56 ℃左右。

b）當?shù)? 層混凝土澆筑13 h 后，混凝土中心溫度可達到59.85 ℃，但混凝土頂面及底面溫度較低，僅為27.02 ℃左右；當?shù)? 層混凝土澆筑89 h 后，混凝土中心溫度升高到63.88 ℃，混凝土頂面及底面溫度較低僅為23.55 ℃左右。

c）整體來看，大體積混凝土澆筑過程中，混凝土中心位置溫度均較高，但隨著澆筑時間的增加，中心位置混凝土溫度并沒有出現(xiàn)明顯下降。

4.2 橋臺中心點溫度變化

如圖6 所示，根據(jù)計算，取中心點及對應表面溫度為代表，最終得出結(jié)論如下：

圖6 中心點溫度變化時程圖

a）第1 層混凝土中心在混凝土澆筑后持續(xù)升溫，48 h 內(nèi)升溫到60 ℃，90 h 后達到最高值63.8 ℃，其后開始下降，7 d 后降至60.8 ℃。

b）第1 層表層溫度在24 h 左右達到峰值32.4 ℃，其后逐漸降溫，7 d 后降溫至27.8 ℃左右；在這期間，混凝土內(nèi)外溫差最大為36 ℃。

c）第2 層混凝土澆筑后，48 h 內(nèi)升溫到60 ℃，溫峰持續(xù)約1 d，最高溫63.8 ℃，其后開始下降，7 d 左右降至60.8 ℃。

d）第2 層表層溫度在24 h 左右達到峰值32.4 ℃，其后逐漸降溫，7 d 后降溫至27.8 ℃左右；在這期間，混凝土內(nèi)外溫差最大為36 ℃，兩層混凝土澆筑的內(nèi)外溫差均不滿足規(guī)范小于25 ℃的要求，應對主塔連接段的混凝土澆筑采取一定的溫控措施，防止混凝土出現(xiàn)溫度裂縫。

4.3 施工中的溫度控制措施

由以上分析可知，應對主塔連接段的混凝土澆筑采取一定的溫控措施，盡量降低水化熱，使混凝土內(nèi)外溫差滿足規(guī)范要求。

4.3.1 降低混凝土入模溫度

選擇較適宜的氣溫澆筑大體積混凝土，盡量避開炎熱天氣澆筑混凝土，應采取夜間施工。提前做好交通組織，避開交通擁堵期，保證運輸?shù)缆窌惩ǎs短混凝土的運輸時間。進行合理調(diào)度，保證供需平衡，縮短混凝土的澆筑振搗時間。

4.3.2 降低水泥水化熱

選用水化熱較低的水泥，摻加Ⅱ級粉煤灰和高效緩凝型泵送劑，選用級配較好、顆粒較大的粗骨料。降低單位用水量，減少水泥用量，達到降低水化熱的目的。

4.3.3 預埋冷卻水管系統(tǒng)，做好養(yǎng)護

預埋冷卻水管系統(tǒng)，混凝土覆蓋冷卻水管后，即開始通水降溫，在混凝土澆筑之后，做好混凝土的保溫保濕養(yǎng)護，緩緩降溫，充分發(fā)揮混凝土徐變特性，降低溫度應力，在混凝土裸露表面覆蓋塑料薄膜，加蓋草袋等。采取長時間的養(yǎng)護，適當延長拆模時間。

5 結(jié)論

本文以某斜拉橋為依托，建立橋梁大體積混凝土水化熱有限元模型，分析其澆筑前后的混凝土溫度變化，最終得到如下結(jié)論:

a）第1 層混凝土中心在混凝土澆筑后持續(xù)升溫，90 h 后達到最高值63.8 ℃，7 d 后下降至60.8 ℃。

b）第2 層混凝土澆筑后，48 h 內(nèi)升溫到60 ℃，溫峰持續(xù)約1 d，最高溫63.8 ℃，其后開始下降，7 d 左右降至60.8 ℃。

c）第2 層表層溫度在24 h 左右達到峰值32.4 ℃，其后逐漸降溫，7 d 后降溫至27.8 ℃。

d）整體來看，大體積混凝土澆筑過程中，混凝土中心位置溫度均較高，但隨著澆筑時間的增加，混凝土溫度并未出現(xiàn)明顯下降且混凝土內(nèi)外溫差最大為36 ℃，兩層混凝土澆筑的內(nèi)外溫差均不滿足規(guī)范小于25 ℃的要求，應對主塔連接段的混凝土澆筑采取一定的溫控措施，比如降低混凝土入模溫度，選擇合適的混凝土配合比，分層設置冷卻管，做好養(yǎng)護，防止混凝土出現(xiàn)溫度裂縫。