大体积预应力混凝土温控技术研究

叶再军

(湖北省交通运输厅工程质量监督局　武汉　430014)

大体积预应力混凝土温控技术研究

叶再军

(湖北省交通运输厅工程质量监督局武汉430014)

摘要运用有限元分析软件建立大体积预应力混凝土承台温度场模型，对承台浇筑阶段的温度场进行仿真分析，研究混凝土内部温度场随时间的变化规律，并与实测值进行比较。根据理论分析结果和现场温度监测，制定施工过程中的温度控制方案，并采取相应温控措施。

关键词承台大体积预应力混凝土水化热温度场

大体积混凝土浇筑后，水泥水化热会产生大量热量，由于混凝土导热性能较差，内部温度会急剧上升。与此同时，混凝土表面由于散热条件相对要好，温度下降较快，其表面温度相对要低，因此，在混凝土内部和表面之间产生温度差。温度的升高和降低引起混凝土的膨胀和收缩，而膨胀和收缩受到支承结构的约束，在混凝土内部和表面就会产生应力，如果应力过大，就导致出现裂缝[1]。

为了防止大体积预应力混凝土产生温度裂缝，混凝土浇筑前应对其进行温控方案设计，施工时对其温度场进行监测。同时为了验证温控方案设计的合理性，同时准确预测浇筑时温度场及温度应力的分布规律，有必要对大体积混凝土结构进行模拟仿真计算。

飞龙岛大桥为独塔双索面斜拉桥，主跨150 m，承台以上塔高87 m，主塔采用分离式承台，承台间设系梁连接，单个塔柱下承台尺寸为21 m×13.6 m×5 m，系梁尺寸为9 m×3.5 m，承台采用C40混凝土，内设预应力，单个承台混凝土体积约3 000 m3，属于高强大体积预应力混凝土。为了防止承台产生温度裂缝，浇筑前进行了温控方案设计，应用有限元软件Madis进行了仿真计算，施工过程中对温度场进行了监测。

1　温控方案设计

1.1配合比设计

在保证承台混凝土强度的前提下，通过优化混凝土配合比，尽可能降低水泥用量，可降低承台在浇筑过程中的水化热，从而降低混凝土内部和表面温度差。通过多次试配，最终选择的混凝土配合比见表1。

表1　混凝土的配合比

1.2分块分层方案

通过分块分层浇筑，减小混凝土一次浇筑体积，有利于削减混凝土最高温度和内外温差，也可以减小约束，减小温度应力，从而防止混凝土开裂。飞龙岛大桥根据主塔预埋钢筋、温控设计和浇筑能力水平分3层浇筑，分层厚度自下而上为1.5，2.0，1.5 m，具体分层方案见图1，每层之间的浇筑间歇为5～7 d，同时下层混凝土达到80%的强度后浇筑上层混凝土。

图1　承台浇筑分层示意图(单位：cm)

1.3冷却水管埋设

除了对水泥水化热控制外，在浇筑过程中，预埋冷却水管，通入循环水将内部热量带出，实现人工导热，从而降低混凝土内部和表面温度差。根据混凝土内部温度分布特征，第1～3层在厚度方向共布设4层冷却水管，第1，3层在层中各布设1层，第2层均匀布设2层。冷却水管采用直径42.3 mm×3.25 mm的输水黑铁管，水管水平间距1.2 m，水管通水前进行压水试验，防止管道漏水、阻水。

1.4混凝土养生

大体积混凝土的裂缝，特别是表面裂缝，主要是由于内外温差过大产生的。浇筑后，通过加强混凝土养生，控制混凝土内部和表面温度差，是防止混凝土开裂的关键措施之一[2-3]。具体措施可以在每层混凝土浇筑完毕，待混凝土终凝后在承台周围搭建暖棚进行保温，在内通蒸汽或采用电加热等措施，控制混凝土表面温度与内部中心温度或外界气温的差值，防止混凝土表面开裂。

2　有限元仿真计算检验

2.1有限元计算模型

上述措施能否控制住大体积混凝土内部和外表面温度差，避免产生温度裂缝，针对本桥具体施工方案，采用有限元软件MIDAS进行模拟仿真分析。考虑承台是对称结构，取结构的1/2进行有限元划分[4]，计算模型共有单元11 268个，节点13 144个，有限元模型如图2。

图2　承台离散模型图

根据分层分块方案，模型中划分3个施工节段，第一施工节段为浇筑封底混凝土和承台第1层，第二施工节段为浇筑承台第2层，第三施工节段为浇筑承台第3层，在各施工阶段通过每层混凝土单元的激活来模拟混凝土的浇筑。

2.2计算参数的选取

混凝土材料及相关热特性值参数见表2，根据水泥水化热公式

求得最大绝热温升为

承台的边界模拟可分为固定温度边界条件和对流边界条件，其中封底混凝土采用固定温度边界条件，周围模板或空气和表面蓄水采用对流边界条件，各种边界对流系数见表2。冷却水的模拟按冷却管的实际布置确定冷却水的流动方向，并设定冷却水流入温度及流速等参数。

表2　结构材料温度特性参数表

2.3计算结果分析

通过建模分析，可得承台模型各特征点温度和应力时程图，以及各个特征时刻温度场和应力场云图，现选取分别位于第1，2，3层混凝土内部中心点的特征点1 923，4 405，7 341，和分别位于第1，2，3层混凝土表面点特征点1 926，4 996，7 740提取这6点的温度时程图见图3，同时提取了各层在温度最高时的温度场结果见图4。从特征点温度时程结果中可看出，水化反应初期，温度上升很快，随后慢慢下降，第1层在混凝土浇筑后约80 h温度达到峰值，第2层在混凝土浇筑后约70 h温度达到峰值，第3层在混凝土浇筑后约60 h温度达到峰值，同时内外温差也达到峰值。

图3　各特征点温度时程图

a)第1层浇筑后80 h温度场b)第2层浇筑后70 h温度场c)第3层浇筑后60 h温度场

图4各层温度最高时温度场

从各层最高温时温度场可以看出，第1层最高温度达63 ℃，第2层最高温达65 ℃，第3层最高温达61 ℃，内外温差最大约为27 ℃左右。

同时为防止承台因温度应力过大而开裂，在计算结果中也提取了各层在温度最高(即内外温差最大)时的应力场结果见图5，从应力图可看出应力总体在容许应力范围之内。

a)第1层浇筑后80 h应力场b)第2层浇筑后70 h应力场c)第3层浇筑后60 h应力场

图5各层温度最高时应力场

3　监测结果分析

3.1测点布置

根据温控计算成果，为做到信息化施工，真实反映承台混凝土的温控效果，以便出现异常情况及时采取有效措施，在承台混凝土中每层布置9个测点。根据结构特点布置在上游承台1/4范围并沿水平方向布置，3层测点平面位置布置相同。

3.2温度测试结果分析

每一测点当混凝土浇筑至其完全覆盖后开始观测，升温期每间隔约2～4 h对所有测点进行循环观测，根据现场监测所测温度，绘制各温度测点的温度-时程曲线。

通过对数据进行分析比较，可以得出以下结论。

(1) 承台混凝土温度变化都有急剧的升温和缓慢降温的特征，直到最后达到稳定阶段。升温达到峰值后，高温峰值时间较短，与理论计算趋势一致。承台第1层～第3层各层断面各测点平均最高温度均满足要求。

(2) 承台各层混凝土最大内表温差均控制在25℃以内，承台没有出现因内表温差而产生的温度裂缝。

(3) 根据温度监测结果，通过控制冷却管水的流量，对各层最大降温速率进行调节，达到了早期削减温峰及防止温度回升的效果。

4　结语

在大体积预应力混凝土浇筑过程中，首先要根据现场实际情况采取优化混凝土配合比、分块分层浇筑、埋设冷却管和蓄水养生等温控措施，并用有限元软件进行仿真模拟，为方案提供理论依据，保证方案可行性，同时与现场实测温度相结合，指导大体积预应力混凝土的施工。从飞龙岛大桥承台混凝土施工的效果来看，本文提出的大体积预应力混凝土的思路和方法是可行的，可为其他类似工程提供一定参考。

参考文献

[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]吴文武,瞿明,姜友生，等.阳逻长江大桥大体积混凝土温升有限元分析[J].武汉理工大学学报,2006(4)：95-97.

[3]赵文觉,赵维汉.大体积混凝土水化热施工期温度场及应力场仿真分析[J].交通科技,2010(3)：96-98.

[4]康志田,余开彪.大体积混凝土温度应力监测与裂缝控制研究[J].交通科技，2011(4)：60-62.

收稿日期：2015-03-05

Research on Mass Prestressed Concrete Temperature Control Technology

YeZaijun

(Hubei Transportation Depatment Engineering Quality Supervision Bureau, WuHan 430014, China)

Abstract：Massive prestressed concrete pile caps temperature field model is established by the finite element analysis software to simulate the temperature field in the pile caps casting stage and research the change rule of the temperature field inside the concrete，and also compares the calculated results with the measured values。The theoretical analysis and field temperature monitoring is used to make the temperature control plan and measure in the construction.

Key words:pile caps； mass prestressed concrete； hydration heat； temperature field

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.04.001