承台大体积混凝土水化热温度裂缝控制分析

梁永辉

（铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300251）



承台大体积混凝土水化热温度裂缝控制分析

梁永辉

（铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251）

摘要：以安家山河大桥工程为例，运用有限元软件，对该桥5号墩承台进行建模，并对大体积混凝土水化热进行计算分析，得出合理的冷却水通水温度和流量，从而达到控制承台温度裂缝的目的。

关键词：大体积混凝土，水化热，有限元，温度裂缝

0　引言

改革开放以来，由于铁路运输事业蓬勃发展，普通桥梁已经不能满足运输需要，大型重载桥梁应运而生，高墩大跨铁路桥梁比比皆是。对大跨重载铁路桥梁的基础、桥墩的施工来说，大体积混凝土浇筑施工是不可避免的。由于水泥水化热等因素，在大体积混凝土浇筑施工时会产生温度应力，温度应力达到一定的水平就会产生温度裂缝，从而影响施工质量。

1　工程概况

安家山河特大桥是某地方铁路的重点控制工程，为四线重载铁路桥，其中5号墩高85 m，其承台分2层，承台1层尺寸为32 m× 22. 4 m×5 m，承台2层尺寸为24. 9 m×15. 3 m×3 m，混凝土用量多达4 727 m3，水化热对大体积混凝土施工质量有重大影响。如果不采取适当措施，很有可能产生温度裂缝。

2　大体积混凝土水化热影响因素

大体积混凝土在施工阶段产生的温度裂缝，是混凝土内部应力和应变发展变化的结果。总的来说，大体积混凝土施工阶段裂缝产生的主要原因有：水泥水化热，约束条件，外界气温变化，混凝土的收缩徐变等。

根据本工程的生产实际，影响大体积混凝土产生裂缝的主要是水泥水化热，影响大体积混凝土水化热的因素主要有：1）混凝土配合比；2）混凝土入模温度；3）混凝土养生；4）管冷的通水温度和流量。

在混凝土配合比和入模温度确定，混凝土养生做到位的情况下，主要靠冷却水管来降低混凝土水化热引起的温升。本文通过对承台进行建模，对比分析三种通水温度和流量情况以确定控制承台混凝土温升的最佳通水温度和流量。

3　计算分析及施工控制

3.1计算分析

本文针对安家山河特大桥5号墩承台利用有限元软件MIDAS/civil建立模型进行计算分析，该承台为对称结构，因此取其1/4进行模型建立，模型如图1所示。依据建立的模型，首先对承台的不加冷却水管的自然温升情况进行了计算。根据计算结果整理出的温度随时间变化情况如图2所示。

图1　承台1/4模型

图2　自然状态下承台温度随时间变化图

根据以上计算结果得出：承台内部最高温度出现在混凝土浇筑完成后2 d～3 d，高温持续保持了1 d左右，随后温度开始逐渐下降，初期下降速度比较快，之后降速逐渐变慢，10 d前后时降温趋于平缓，温度逐渐稳定。从计算结果看出中间部分温度最高，四周温度相对较低。承台内部的最高温度为53. 2℃，最高温升为33. 2℃，承台内外最大温差为28. 3℃，高于规范要求，会导致温度裂缝的产生，因此需采取降温措施。

通过以上分析，发现自然冷却状态下承台内外温差达不到要求，现对承台加入冷却水管进行降温，在具有一定相对高差的顶部和底部位置放置2个大型盛水设备，并将顶部盛水设备中盛满水。从顶部盛水设备引出1根进水总管，总管口通过分水阀门与各分管相连。利用顶部与承台之间的高差对冷却管进行通水，同时在盛水设备中每个进水口放置一台2. 2 kW的潜水排污泵，通过水泵与阀门调解流速。结合工程实际拟定了三组通水流量和数据的参数，分别为通水温度25℃，通水流量1. 2 m3/h；通水温度25℃，通水流量1.3 m3/h；通水温度30℃，通水流量1.3 m3/h。

经过计算结果对比发现当通水温度在25℃、流量1. 2 m3/h时最高温度为43. 6℃，最大温差为23. 6℃，出现在浇筑完成30 h左右，满足规范要求。再加上实际施工时当地最高气温在30℃左右，因此选择通水温度25℃比较容易做到，并且节省成本。

3.2施工控制

确定好冷却水管通水流量和通水温度后，还要从以下方面在施工过程中加以控制，确保不产生温度裂缝，保证施工质量。

3.2.1配合比设计

混凝土配合比设计，除应符合设计强度等级、耐久性、稳定性等要求外，根据本工程大体积混凝土施工工艺特征的要求，考虑到降低混凝土绝热温升值的问题，特选用缓凝型的高效减水剂作为外加剂，并掺入适量的粉煤灰。

3.2.2布置冷却水管

根据计算分析得出的通水温度在25℃、流量1. 2 m3/h为最佳组合，冷却管采用具有一定刚度的外径为48 mm的黑铁管，采用单独的钢筋骨架支撑固定。按照4 m高度予以考虑，沿竖向布置冷却管5层，其垂直间距均为0. 7 m，水平间距为1. 0 m，进出水口引出混凝土顶面0. 3 m，出水口有调节流量的水阀和测流量设备。布管时冷却管要与承台主筋错开，当局部管段错开有困难时，要适当移动冷却管的位置。冷却管必须绑扎牢固，防止混凝土浇筑过程中，冷却管变形或接头脱落而发生堵水或漏水。冷却管转弯处采用90°的缓冲弯头，冷却管安装完成后，将进水管、出水管，水泵接通进行通水试验，确保水管畅通且不漏水。

3.2.3混凝土浇筑

该承台分上下2层，共需浇筑混凝土4 727 m3，因承台混凝土浇筑方量较大，施工时采用整体分层连续浇筑方式，每层浇筑厚度不大于50 cm，考虑到当地气温及施工条件，混凝土的入模温度控制在20℃左右。施工现场对混凝土运输车逐车进行检查，测定混凝土的坍落度和温度等，浇筑过程中严格按照相关规范做好振捣工作。

3.2.4混凝土养生

满足混凝土正常温度下拆模强度的要求时方可拆模，侧模在混凝土强度达到2. 5 MPa以上，且其表面及棱角不因拆模而受损时，方可拆模。拆模前保证内外温差小于20℃。拆模后继续覆盖、通水，始终保持温度控制条件，养生时间不少于14 d。

4　承台温度监测

为了准确反映出混凝土内部最高温升，心部与表面温度、降温速率及环境温度，在混凝土内埋设电阻感应片，以监测混凝土内部的实时温度。混凝土开始浇筑前，首先测量环境温度。首罐混凝土入模，并振捣完成后，测量入模温度，每层混凝土都要测量入模温度。最后一层混凝土入模振捣完毕后，开始记录各测温设备温度值，同步监控水流的各进出水管温度。通过对测温数据进行计算、分析，及时指导现场混凝土养护，通过调节冷却水流量，进水温度等方法来调控混凝土内部温度，通过改变混凝土表层养护手段调控混凝土表层温度。

在承台1层和2层分别埋设了32个和16个电阻感应片，对承台混凝土浇筑完成后进行温度监控，每2 h读数一次，记录每个测点的温度。通过实施监测措施，实测出了浇筑后10 d的承台内部温度数据，与有限元软件计算结果对比如图3所示。

图3　计算结果与实测温度对比图

从图3可以看出，用有限元软件计算出的结果跟实测温度比较接近，软件计算的最高温升为44.9℃，实测最高温升为44.7℃，与计算结果相吻合，有限元软件计算得出的温升温降趋势也与实测一致。安家山河大桥5号墩已按既定措施正常施工完毕，经检查承台2层均未发现温度裂缝，施工质量良好。

5　结语

大体积混凝土浇筑过程中的降温措施一般有两种：1）从混凝土的配合比控制，一般通过采取减少水泥用量、选用低热水泥、加入外加剂掺入矿渣粉煤灰等混合料等措施；2）采取具体的降温措施，通过降低拌合的水温和骨料的温度，降低混凝土的入模温度，布置冷却水管和表面覆盖保温层控制内外温差。第一种方式对大体积混凝土的降温效果有限，一般采用第二种方式进行降温或者两种方式结合使用。本文采用两种降温措施相结合的方法，并主要以冷却水管方式对承台大体积混凝土进行降温，通过运用有限元软件进行分析计算，得出了最佳的通水温度和流量，在一定程度上节约了施工成本，保证了施工质量。

参考文献：

［1］卞春丽，梁晓平.现浇大体积混凝土施工裂缝成因分析及防止措施［J］.陕西建筑，2007，33（3）：119-120.

［2］高明德.大体积混凝土施工工艺及质量控制［J］.铁道建筑，2007（3）：98-99.

［3］王磊，杨培诚.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）：240-242.

［4］林乐强.桥梁结构中大体积混凝土的水化热分析研究［J］.北方交通，2008（1）：126-128.

The control analysis on temperature cracks of bearing platform mass concrete hydration heat

Liang Yonghui
（Railway Third Survey and Design Group Limited Company，Tianjin 300251，China）

Abstract：Taking the Anjiashan river bridge engineering as an example，using the finite element software，this paper made model to No. 5 pier bearing platform of the bridge，and made calculation and analysis on mass concrete hydration heat，gained reasonable cooling water temperature and flow rate，so as to achieve the purpose control of bearing platform temperature cracks.

Key words：mass concrete，hydration heat，finite element，temperature crack

中图分类号：TU755. 7

文献标识码：A

文章编号：1009-6825（2016）09-0198-02

收稿日期：2016-01-11

作者简介：梁永辉（1987-），男，硕士，助理工程师