大体积混凝土温度场分析与施工控制

叶鸿斌

(中铁二局机械筑路工程有限公司，四川 成都 610031)

我国对大体积混凝土的定义为:混凝土结构物实体最小尺寸等于或大于1 m，或预计会因水化热引起混凝土内外温差过大而导致裂缝的混凝土。美国则规定为任何现浇混凝土，只要有可能产生温度影响的混凝土均称为大体积混凝土。大体积混凝土温度场分析是大体积混凝土施工的基础工作，做好理论温度场分析，将能正确指导现场施工的温度控制。

1 大体积混凝土裂缝产生机理

大体积混凝土的主要特点是结构厚实，混凝土体积大，工程条件比较复杂，施工技术要求高。由于其表面系数比较小，水泥水化热释放比较集中，内部温升比较快，导致混凝土内外温差较大，使混凝土产生温度裂缝，形成结构的初始损伤。

大体积混凝土施工阶段所产生的温度裂缝，一方面是由于内外温差而产生的;另一方面是混凝土结构的外部约束和混凝土各质点间的约束，阻止混凝土收缩变形，混凝土抗压强度较大，但抗拉能力却很小，所以温度应力一旦超过混凝土能承受的抗拉强度，即会出现裂缝。

大体积混凝土内出现的裂缝按深度的不同，分为表面裂缝、贯穿裂缝及深层裂缝三种。混凝土浇筑初期，因内部温度升高发生膨胀，但混凝土表面的温度下降较快，相对应变较小，从而使混凝土表面产生拉应力，表面裂缝产生机理如图1所示。混凝土在温度下降时会发生收缩，但受到与其接触的地基或者已浇筑混凝土等的约束而产生拉力，从而使混凝土内部产生贯通裂缝，贯通裂缝产生机理如图2所示。大体积混凝土由于体积较大，在施工中往往采用分层浇筑，先期浇筑的混凝土与后浇筑混凝土结合处，易产生深层裂缝。

图1 表面裂缝(放热时)

图2 贯通裂缝(冷却时)

2 工程背景及配合比设计

某高速公路桥梁桥墩承台，结构尺寸为15.4 m×24.6 m×4.5 m，混凝土强度等级为C30，浇筑量为1830 m3。在混凝土浇筑前，根据施工环境及设计施工要求，进行多组不同掺量的试配级配，选择最优的配合比——水泥∶水∶黄砂∶碎石∶外加剂∶粉煤灰=328∶184∶678∶1071∶8.72∶1.08(单位:kg/m3)，混凝土采用泵送施工。

3 温度监控措施

为保证施工质量，掌握温控信息，及时调整和改进温控措施，建立图3所示温度监控流程。

图3 温度监控流程

4 理论分析

4.1 建立有限元模型

根据工程实际，考虑到结构的对称性，为节约计算时间，取结构1/4建立有限元实体模型。模型包括2 m厚的地基和承台两个部分。为保证计算精度，将模型划分为1916个单元，2485个节点。实体模型如图4所示。模型的参数对计算结果有一定影响，参考文献3和文献4，并结合现场实际，本模型的材料参数取值见表1。

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图4 结构1/4模型

模型的边界条件为:1/4对称面为绝热边界;承台与空气接触面取温度为20℃;地基位于土层中，温度基本不随气温变化，按固定温度边界条件处理，固定温度取21℃。

模型按无管冷和有管冷进行有限元数值分析。

4.2 有限元分析结果

无管冷模型和有管冷模型的有限元数值分析结果如图5和图6所示。

图5 无管冷结构温度场分布(℃)

5 承台施工温度控制

5.1 温度控制措施

由于体积大，施工过程中，采用如下温控与防裂措施。

图6 有管冷结构温度场分布(℃)

(1)承台分两次浇筑，第一次浇筑下部2.4 m部分，第二次浇筑上部2.1 m部分;

(2)布置三层冷却水管，从混凝土初凝后开始通水，以降低混凝土水化热;

(3)混凝土初凝后及时浇水养护，并在混凝土表面覆盖一层塑料薄膜，外面再覆盖地毯，以降低混凝土内外温差;

(4)根据温度传感器测温结果控制水管开关，必要时启用增压泵，提高水流速度，确保混凝土内外温差小于25℃;

(5)混凝土内布置防裂钢筋;

(6)采用寰宇夺标一线通测温系统进行温度实时监控。

5.2 温控结果

测点1(第一次浇筑2.4 m承台中心位置)和测点2(第二次浇筑2.1 m承台中心位置)的温度监控曲线如图7和图8所示。

图7 测点1温度时程曲线

从图7和图8可以看出，有管冷模型相比于无管冷模型，最高温度前者比后者低7℃，有水管冷降温效果显著。混凝土在浇筑时长3 d内，温度升高较快，在70 h左右即达到最高温度。之后缓慢下降，10 d内部温度仍高于50℃，此时应根据混凝土表面温度值是否满足内外温差低于25℃，决定是否继续向冷却水管通水。测点实测温度时程曲线和模型计算曲线有较高的吻合度，表明该方法有良好的精度，可以作为大体积混凝土温度场的分析手段。

6 结论

图8 测点2温度时程曲线

(1)本文分别考虑有冷却水管和 无冷却水管作用，建立实体有限元模型，对大体积混凝土承台进行施工期水化热温度场分析，通过分析比较，结果表明设置冷却水管降温效果显著。

(2)通过有限元程序计算结果与现场实测值比较，两者吻合较好，因此该方法可作为指导大体积混凝土设计和施工的一种方法，从而更好地控制大体积混凝土的温度场。

［1］GB 50204－2002混凝土结构工程施工质量验收规范［S］

［2］朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制［M］.北京:中国电力出版社，1999

［3］朱岳明，贺金仁，肖志乔，等.混凝土水管冷却试验与计算及应用研究［J］.河海大学学报(自然科学版)，2003，31(6):626－630

［4］赵英菊，王社良，康宁娟.ANSYS模拟大体积混凝土浇筑过程的参数分析［J］.科技信息(学术版)，2007(14):96－97

［5］王铁梦.工程结构裂缝控制［M］.北京:中国建筑工业出版社，1997:85－90

［6］李达，暴育红.大体积混凝土的温差裂缝控制措施及热工计算［J］.混凝土，2006(3):88－90

［7］王勋文，吕贤良，刘晓光.薄壁空心宽墩的防裂技术［J］.铁道建筑，2008(1):40－42