大跨度桥梁边墩水化热温度场分析与合理温控措施研究

崔容义

(1.成都铁路局 工务处，成都 610082;2.中南大学 土木工程学院，长沙 410075)

1 工程背景

某高速铁路双塔双索面钢桁梁斜拉桥的边墩，墩高21.0 m，平面尺寸为18.2 m×4.5 m，属大体积混凝土。大体积混凝土由于水化热的作用将使结构产生较大的里表温差，如不采取有效的温度控制措施，一旦温差过高，超过规范要求，将极有可能导致温度裂缝的出现，影响到结构的安全性和耐久性［1-2］。针对大桥之前某一引桥桥墩曾出现过轻微裂缝，考虑到边墩更大的空间尺寸及一次浇筑混凝土更多的方量，因此很有必要通过有限元仿真计算，研究并制定合理的降温冷却水管布置方案，并找出其它合理的温控措施。边墩结构尺寸如图1所示。

图1 边墩构造图(单位:cm)

2 有限元模型建立及参数选取

2.1 模型建立

利用桥梁专业软件MIDAS/CIVIL的水化热计算模块，建立边墩结构的有限元模型，采用8节点空间等参元热应力实体单元，单元划分时尽力保证相邻单元之间的均匀变化，防止有突变，并在截面突变部位及冷却管布置部位划分较细，以便能更好地分析其温度变化情况。约束方式采用边墩底部固结。有限元计算模型见图2所示。

图2 边墩空间有限元模型

2.2 有限元模型说明

1)计算时取两种工况进行计算，工况1为浇筑温度30℃(不设置冷却管);工况2为浇筑温度30℃(设置预先设计的冷却管)。

2)根据水泥水化热估算公式进行计算，得到282#桥墩C35混凝土绝热温升45.5℃。绝热温升数值模型取双曲线函数 Q(τ)=Q0(1 － e－ατβ)，式中，Q0为最终绝热温升;α，β为绝热温升变化系数。

3)桥墩混凝土预计2010年6月份开始浇筑，根据当地气象局资料，环境温度取36℃。

4)冷却水的温度取郁江江水温度，所提供的温度值约为25℃，冷却水的流速设定为2.5 m3/h。

5)计算时考虑徐变对混凝土应力的影响。

6)温度及热应力计算自桥墩混凝土浇筑开始，模拟之后1个月的温度、应力发展。

本次计算中所采用的物理特性参数，如弹性模量、线膨胀系数、泊松比等根据以往经验取值;相对密度试验测得;绝热温升通过水化热试验估算［3］，导热系数和比热容通过材料组成估算。边墩冷却管空间布置示意如图3。

图3 边墩冷却管空间布置示意

3 主要计算结果分析

计算结果见图4和图6，可以得出，在工况1(未设置冷却管)作用下，桥墩混凝土内部最大温度为70.5℃，出现在混凝土浇筑后约168 h。图5给出了在工况1作用下，桥墩混凝土最大内表温差出现位置的示意图。图7为桥墩混凝土内表温差的时程曲线，由图中可以看出，桥墩混凝土最大里表温差发生在混凝土浇筑后约168 h左右，其值约为27.2℃。

图4 工况1作用下桥墩混凝土内部温升峰值云图

图5 工况1作用下桥墩混凝土最大内表温差示意

图6 工况1作用下桥墩混凝土内部温升曲线

图7 工况1作用下桥墩混凝土内表温差时程曲线

图8 工况2作用下桥墩混凝土内部温升峰值云图

图9 工况2作用下桥墩混凝土最大内表温差示意

由图8及图10可知，在工况2(设置冷却管)作用下，桥墩混凝土内部最大温度为66.8℃，出现在混凝土浇筑后约144 h;图9给出了在工况2作用下，桥墩混凝土最大内表温差出现位置的示意图;图11为桥墩混凝土里表温差的时程曲线，由图可知，桥墩混凝土最大温差发生在混凝土浇筑后约144 h左右，其值约为25.3℃。

综上所述，根据水化热空间有限元分析，在未设置冷却水管的情况下，边墩混凝土内部的温升峰值达到了70.5℃，最大里表温差高达27.2℃，高于规范《大体积混凝土施工规范》(GB 50496—2009)［4］的相应规定;设置冷却水管之后，通过有限元计算可以发现，桥墩的内部温升峰值为66.8℃，最大里表温差为25.3℃，较未设置冷却管时有所降低，但仍高于规范(GB 50496—2009)要求的25℃。可见通过设置冷却水管能够有效地降低混凝土的温升峰值及里表温差，但仍然要辅以其它的温控手段和措施。

主要温控控制项计算结果如表1、图12、图13所示。

表1 两种工况下桥墩主要控制项计算结果 ℃

图10 工况2作用下桥墩混凝土内部温升曲线

图11 工况2作用下桥墩混凝土内表温差时程曲线

图12 桥墩混凝土内部中心点温度时程对比曲线

图13 桥墩混凝土内表温差时程对比曲线

4 结论

混凝土是热的不良导体，当混凝土浇筑后，因水泥水化反应产生的水化热，在新浇筑的混凝土结构中不断积贮热量，形成短期的内部温度高、外表面温度低的水化热分布状态。过大的内外温差将产生水化热应力，有可能使混凝土出现有害的温度裂缝。而且体积越大，这种温差越大，对结构造成的损害也就往往越大。

本工程在具体施工时，在一次浇筑混凝土的情况下，为避免出现过大的里表温差，防止因里表温差过大而导致的桥墩混凝土开裂，采取了以下温控措施:

1)在施工时，注意测量当时气温，当气温高于混凝土入仓温度时，则加快运输和入仓速度，减少混凝土运输和浇筑过程中的温度回升。混凝土输送管外用草袋遮阳，并经常洒水。

2)增大冷却水的通水流量(理论计算取流速为2.5 m3/h，实际施工时基本控制在2.8 m3/h)，为避免冷却水与周围混凝土之间过大的温差，降低了冷却水的流入温度(理论计算时取流入温度为25℃，实际施工时基本维持在20℃左右)。

3)加强了桥墩混凝土的外部保温，增加保温层厚度，如覆盖一层塑料膜及一层土工布保温等，并严格控制拆模条件和拆模时间［5-6］。

4)根据理论分析的结果，在混凝土的可能开裂部位，加强了普通钢筋的布置。

通过对该桥边墩大体积混凝土温度场和应力场的仿真分析，制定了相应的温控方案，目前该边墩已经施工完成，结构整体性能良好，经过长期的观测，未发现对结构有害的可见温度裂缝。

［1］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，1998.

［2］王铁梦.工程结构裂缝控制［M］.北京:中国建筑工业出版社，1997.

［3］张亮亮，赵亮，袁政强，等.桥墩混凝土水化热温度有限元分析［J］.重庆大学学报，2007，30(10):73-76.

［4］中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50496-2009 大体积混凝土施工规范［S］.北京:中国计划出版社，2009.

［5］孙衍福，郭治胜，吴大宏.大体积混凝土桥墩裂缝分析整治及建议［J］.铁道工程学报，2006，95(5):67-69.

［6］马宗磊.客运专线箱梁混凝土水化热温度测控研究［J］.铁道建筑，2008(6):4-6.