大直徑鋼管混凝土橋塔的溫控防裂研究

【中圖分類號】：U445.57 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2025）05-16-03

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.05.004

Research on Temperature Control and Crack Prevention of Large-diameter Concrete Filled Steel Tubular Bridge Tower

YANGDaigeng，ZHANGHong，LI Yongbo （Jiangsu CollegeofEngineeringand Technology，Nantong 226O7，China）

【Abstract】：Inorder to study theefective temperature controland crack prevention measures oflarge-diameterconcrete filled steel tubular（CFST）bridge tower，a finite element analysis model based on Ansys.The research evaluated the efect of common concrete pouring at low-temperature，special concrete pouring at normal-temperature and special concrete pouring at low-temperature，on temperature control and crack prevention.The results show thatthe special concrete pouring at low temperaturecan effectively reduce the overall temperature of the structure and reduce the temperature gradient，and effectively curb the risk of structural cracking.

【Key words】：large-diameterconcretefiledsteltubular（CFST）；bridgetower；temperaturecontrolandcrackprevention

大直徑鋼管混凝土橋塔（直徑 ?2m ）在混凝土水化熱集中釋放階段（澆筑后2～7d）易出現溫度裂縫及界面脫空問題，進而導致結構承載力降低，嚴重影響結構的安全性與耐久性～2。當前研究-4主要集中在中小直徑構件，對大直徑橋塔的溫控防裂研究較少。本研究通過建立有限元模型，對比分析了3種溫控方案的效果，為完善大直徑橋塔溫控技術提供參考。

1工程概況

某在建鋼管混凝土斜塔斜拉橋跨徑為 100m+75 m ;結構采用塔、梁和墩固結體系。橋塔設計成雙柱外觀，采用 Q345_qD 鋼板制造，塔內灌注C50自密實補償收縮微膨脹混凝土，高 59.91m ，由2根直徑 2.5m 的圓柱形鋼管混凝土構成，兩圓柱順橋向凈距 2m 。見圖1。

圖1橋塔布置

2數值分析模型

2.1模型概況

大直徑鋼管混凝土結構在混凝土澆筑后水泥水化反應導致混凝土內部溫度急劇變化，易產生鋼管混凝土脫空病害，進而威脅結構安全，因此對大直徑鋼管混凝土結構實施嚴格澆筑后溫控策略，對保障結構安全至關重要。

混凝土澆筑后的主要溫控策略有減小混凝土的絕熱溫升、降低混凝土初始澆筑溫度及實施人工冷卻；但在鋼管混凝土結構中，人工冷卻方法受限。鑒于此，本文深入探討了3種溫控方案：普通混凝土低溫澆筑、特種混凝土常溫澆筑及特種混凝土低溫澆筑。

2.2計算參數

采用有限元數值模擬方法，首先對普通C50混凝土常溫澆筑進行模擬分析，然后分別對3種溫控措施逐一進行模擬分析，環境溫度采用三角函數來模擬，施工期環境平均溫度 22°C ，最大日溫差 8^°C 。見表1和表2。

表1單位體積混凝土原材料用量 kg/m³

表2熱力學計算參數

假定鋼管混凝土結構內部的混凝土和鋼管為完全接觸邊界條件。鋼管混凝土橋塔結構具有細長桿件的特性，假定沿結構軸線方向的熱傳導可忽略不計，從而將三維溫度場簡化為二維溫度場。模擬的鋼管混凝土橋塔結構直徑為 2.5m 。見圖2。

圖2有限元模型

3溫控防裂分析

3.1普通混凝土常溫澆筑

鋼管混凝土橋塔結構在混凝土澆筑后 70h 達溫度峰值，最高溫度 82.17^°C ，截面溫度分布整體處于均勻狀態，結構中核心混凝土中心溫度最高，結構溫度分布呈現由內到外溫度逐漸減小，鋼管溫度比環境溫度略高。見圖3。

圖3結構達到最高溫度時橫截面溫度

由于混凝土水化放熱，結構在混凝土澆筑完成后溫度急劇升高，峰值在第 70h 達到 ，升溫 ，最高溫度出現在結構的中心；隨后，溫度逐漸降低，至 240h 趨近環境溫度，說明結構中水化反應產生的熱量釋放完畢；大直徑鋼管混凝土結構核心溫度穩定，邊界溫度受外界影響大。見圖4。

圖4澆筑后結構關鍵點溫度

3.2普通混凝土低溫澆筑

通過降低混凝土初始澆筑溫度來控制溫度峰值，模擬中除混凝土初始澆筑溫度降低到 10^°C ，其余計算參數不變。

鋼管混凝土橋塔結構在混凝土澆筑后 75h 達溫度峰值，最高溫度 ，截面溫度分布整體處于均勻狀態，結構中核心混凝土中心溫度最高，結構溫度分布呈現由內到外溫度逐漸減小，鋼管溫度比環境溫度高。見圖5。

圖5結構達到最高溫度時橫截面溫度

采取該溫控措施后，鋼管混凝土溫度峰值推遲至第 75h 達 76.64°C ，升溫 56.64°C ，其余變化規律與未采取溫控措施前基本一致，表明所采取的溫控手段有效降低了溫度峰值并延遲了其出現時間。見圖6。

圖6澆筑后結構關鍵點溫度

3.3特種混凝土常溫澆筑

特種混凝土水化放熱量從 500kJ/kg 降到400kJ/kg ，其余計算參數不變。

鋼管混凝土橋塔結構在混凝土澆筑后 70h 達溫度峰值，最高溫度 69.95^°C ，截面溫度分布均勻，核心混凝土的中心溫度最高，溫度分布呈內高外低梯度變化，鋼管表面溫略高于環境。見圖7。

圖7結構達到最高溫度時橫截面溫度

采取該溫控措施后，鋼管混凝土溫度峰值推遲至第 70h 達 69.95^°C ，升溫 49.95^°C ，其余變化規律與未采取溫控措施前基本一致，表明所采取的溫控手段有效降低了溫度峰值并延遲了其出現時間。見圖8。

圖8澆筑后結構關鍵點溫度

3.4特種混凝土低溫澆筑

特種混凝土初始澆筑溫度為 10°C ，水化放熱量為340kJ/kg ，其余計算參數不變。

鋼管混凝土橋塔結構在混凝土澆筑后 78h 達溫度峰值，最高溫度 57.22°C ，截面溫度分布整體處于均勻狀態，結構中核心混凝土中心溫度最高，結構溫度分布呈現由內到外溫度逐漸減小，鋼管溫度比環境溫度略高。見圖9。

圖9結構達到最高溫度時橫截面溫度

采取該溫控措施后，鋼管混凝土溫度峰值推遲至第 78h 達 57.22°C ，升溫 ，其余變化規律與未采取溫控措施前基本一致，表明所采取的溫控手段有效降低了溫度峰值并延遲了其出現時間。見圖 10

圖10澆筑后結構關鍵點溫度

3.5溫控防裂措施的選擇

3種溫控措施下鋼管混凝土結構的最高溫度及關鍵點之間溫差比較見表3。

表3不同溫控防裂措施結果對比

特種混凝土低溫澆筑顯著降低大直徑鋼管混凝土結構的最高溫度，且中心與邊界、邊界與環境溫差均為最小，能有效控制結構溫度峰值與梯度，有效降低結構因溫度應力引起的裂縫風險，保障結構安全，是大直徑鋼管混凝土結構溫控防裂的優選方案。

4結論與建議

綜合評估后，特種混凝土低溫澆筑措施表現最為優越，成為大直徑鋼管混凝土結構溫控措施的首選。

針對鋼管混凝土結構中核心混凝土收縮現象，建議摻入膨脹劑，使混凝土微膨脹來補償收縮，確保核心混凝土與鋼管壁緊密貼合，預防脫空。

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