丹江口汉江公路大桥主塔承台水化热温控分析

丹江口汉江公路大桥主塔承台水化热温控分析

左生荣刘占兵何志红谭博夫

(湖北省路桥集团有限公司武汉430056)

摘要由大体积混凝土浇筑产生的温度应力而导致的混凝土开裂是比较普遍的现象，水化热产生的裂缝尤其是贯穿结构内部的裂缝对结构的承载力、防水能力，以及耐久性都会产生不良的影响。目前应用有限元仿真进行的数值计算方法是大体积混凝土水化热计算常见的方法之一。文中用MIDAS/CIVIL 2012有限元分析软件对8号主塔承台进行水化热的计算分析，通过对不布设冷水管和布设冷水管的工况进行计算，得到承台内部对应位置的温度均大幅度降低，同时布设冷水管后承台内不利节点的应力也有大幅度的降低，可有效控制混凝土开裂。

关键词丹江口汉江大桥主塔承台水化热温控分析

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.02.002

收稿日期：2014-11-19

1概况

丹江口汉江公路大桥位于湖北省丹江口市境内，项目建设总里程929.557 m，其中跨汉江大桥总长780 m，两岸接线长151.13 m。主桥采用主跨260 m双塔P.C.梁斜拉桥方案，跨度组合为145 m+260 m+85 m，长490 m；引桥采用7孔40 m标准跨度的连续T梁，共分2联，跨度组合为3×40 m+4×40 m，长280 m,见图1。

图1丹江口高低塔双索面斜拉桥示意图

丹江口汉江公路大桥主塔承台设计概况：8号塔基础平面为2个独立的圆端形承台，承台顶高程83.5 m，厚度为5.0 m；承台平面尺寸布置为23.25 m(顺桥向)×17 m(横桥向)，圆端半径为8.5 m；每个承台对应10根直径2.5 m 大直径钻孔灌注桩，桩长45 m，按摩擦桩进行设计，桩尖嵌入中风化泥质粉砂岩(层号③)内。塔座均为棱型台，厚度为2.0 m；8号塔座底面尺寸为13.0 m(横桥向)×19.25 m(顺桥向)，顶面尺寸为9.0 m(横桥向)×15.25 m(顺桥向)。主塔结构为H形塔，分离式承台基础，单个承台形状见图2。

图2　主塔单个承台示意图

2大体积承台水化热计算方法

在桥梁工程的承台混凝土施工中，由大体积混凝土浇筑产生的温度应力而导致的混凝土开裂是比较普遍的现象，水化热产生的裂缝尤其是贯穿结构内部的裂缝对结构的承载力、防水能力，以及耐久性都会产生不良的影响[1-2]。因此对大体积混凝土水化热的分析在桥梁施工中显得尤为重要。本文借助MIDAS/CIVIL 2012有限元分析软件，对8号主塔承台进行水化热计算分析。

主塔承台使用了简单的板式基础模型，其形状见图2。对浇筑混凝土后的1 000 h进行了水化热分析，其中管冷作用于前100 h。 如果将地基的支承条件使用弹簧模拟，则无法描述混凝土的热量传递给地基的情况。因此需要将地基也模拟为具有一定比热容和热传导率的结构。另外，由于模型具有对称性，因此只取1/4模型进行建模和分析，其优点不仅可以提高建模速度、缩短分析时间，而且也便于查看内部温度分布以及应力发生状况。

丹江口汉江大桥8号主塔承台具体结构尺寸和混凝土数量见表1。

表1　丹江口汉江公路大桥8号主塔承台尺寸及数量表

2.1　无冷却水管工况下各施工阶段最高温度

承台内无冷却管布置时通过MIDAS/CIVIL 2012软件内的水化热分析模块计算得到各不同层所在位置的最高温度[3]，并列出下列不同位置的温度云图，见图3。

图3　温度云图(承台内无冷却水管)

软件计算可得封底混凝土最高温度31.1 ℃，承台第一层最高温度48.3 ℃，承台第二层最高温度48.6 ℃，计算得到塔座最高温度47.0 ℃。

2.2　有冷却水管工况下各施工阶段最高温度

承台内布置冷却管，见图4。布置后通过MIDAS/CIVIL 2012软件计算得到各对应工况的温度云图，见图5。

图4　承台冷却管平面布置图(单位：mm)

图5　温度云图(承台内有冷却水管)

软件计算可得：加冷却管后，封底混凝土最高温度为31.1 ℃，承台第一层最高温度35.2 ℃，承台第二层最高温度32.9 ℃，塔座最高温度33.2 ℃。

通过软件计算可以明显地看出，加冷却管后，在相同的位置，除了封底混凝土外，其他位置的混凝土的温度都有大幅度的降低，说明加冷却管水化热降温的效果是非常显著的。

由温差产生的温度裂缝可分为以下3种：①混凝土浇筑初期，产生大量的水化热，水化热积聚在混凝土内部不易散发，使混凝土内部温度上升，而混凝土表面温度为室外环境温度，这就形成了内外温差，这种内外温差在混凝土凝结初期产生的拉应力超过混凝土抗压强度时，就会导致混凝土裂缝；②在拆模前后，表面温度降低很快，造成了温度陡降，也会导致裂缝的产生；③当混凝土内部达到最高温度后，热量逐渐散发而达到使用温度或最低温度，它们与最高温度的差值就是内部温差，导致温度裂缝。在这3种温差中，较为主要的是由水化热引起的内外温差[4]。见图6。

图6　2种工况下承台混凝土最大应力和容许抗拉强度时程变化图

通过对比有无冷却管的最不利位置拉应力和容许抗拉强度，以及最不利位置拉应力比发现：增加了冷却水管后，承台、塔座、塔身第一节降温效果明显，同时混凝土最大拉应力下降30%。

3结论

(1) 通过应用效果和计算得出：在温度最高的位置布置管冷的方法可有效地控制水化热，并减小温度裂缝对结构的影响，MIDAS/CIVIL 2012有限元分析软件对承台进行水化热的计算分析是行之有效的，对其他类似工程具有参考价值。

(2) 通过对8号塔承及塔座混凝土浇注过程进行水化热分析，采取优化混凝土配合比、增加冷却管散热低热水泥、分段浇筑、骨料预冷、管冷、Sheet养护等措施，能够满足承台及墩身在施工过程中不出现温度应力超过混凝土同期抗拉强度的情况，有效降低了温度应力引起的开裂风险[5]。

(3) 水化热计算按照是否布置冷却水管进行了对比计算，发现增加了冷却水管后承台、塔座、塔身第一节降温效果明显，同时混凝土最大拉应力下降30%，并需要对冷却水管布置方案考虑承台、塔座的散热措施。

参考文献

[1]黄志福.大体积承台混凝土水化热分析及温控措施[J].工程与建设,2008(1):14-16.

[2]李鑫,杜嘉骅,张若铜.桥梁承台大体积砼水化热温度监测及数值分析[J].公路与汽运,2009(5):112-115.

[3]李长瑞,杜嘉林.Midas/Civil在大体积混凝土承台水化热控制中的应用[J].山东交通科技,2011(1):58-61.

[4]华龙海,熊刚,王艳宁,等.大体积混凝土裂缝成因分析及温控措施[J].城市道桥与防洪,2009(11):35-37.

[5]查进，葛新民，曾艳，等.野三河大桥主墩底座高强大体积混凝土防裂施工技术[J].武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2007(6)：1006-1009.

Temperature Control Analysis on Hydration Heat of

Main Tower Bearing Platform in Danjiangkou Hanjiang River Bridge

ZuoShengrong，LiuZhanbing，HeZhihong，TanBofu

(Hubei Provincial Road & Bridge Co.，Ltd., Wuhan 430056, China)

Abstract：In the construction of concrete bridge engineering platform, concrete cracking caused by temperature stress produced during the casting of large volume concrete is a relatively common phenomenon. The crack generated by hydration heat especially the cracks throughout the internal structure have an adverse effect on the bearing capacity of the structure, the waterproof ability and durability. Currently, the application of the finite element numerical simulation calculation method is one of the common methods of thermal mass concrete water calculation, using MIDAS/CIVIL 2012 finite element analysis software in this paper, the analysis and calculation of the heat of hydration on No. 8 main tower abutment are completed. The result shows that the layout about the cold water pipe is one of the effective methods to reduce the heat of hydration.

Key words: Danjiangkou Hanjiang River bridge; main tower bearing platform; hydration heat; temperature control analysis