桥梁承台大体积混凝土施工的水化热控制

陈青华，时建云

（1.阜阳市重点工程建设管理局，安徽 阜阳 236000；2.合肥工业大学，安徽 合肥 230009）



桥梁承台大体积混凝土施工的水化热控制

陈青华1，时建云2

（1.阜阳市重点工程建设管理局，安徽 阜阳 236000；2.合肥工业大学，安徽 合肥 230009）

利用大型结构计算软件MIDAS/Civil，对阜阳市东环路颍河大桥承台混凝土施工过程进行建模，计算并预测混凝土浇筑后不同时间阶段的水化热温度。通过建模分析并结合现场监测数据，分析比较通过布置冷水管对温度控制的影响作用，得出了一些有益结论。对具体施工方案和监控方案作了一些简要说明。

大体积混凝土；冷水管；水化热；MIDAS/Civil

1　工程概况

阜阳市东环路颍河大桥及接线工程位于阜阳市东郊。主桥主墩位于颍河水中，设计承台尺寸为（长）34m×（宽）14m×（高）5m，混凝土强度为C30等级，单个承台混凝土方量为2380m3，属于大体积混凝土。

2　承台施工方案

由于混凝土方量比较大，故分两次浇筑：第一次浇筑高度为3m，方量为1428m3；第二次浇筑高度2m，方量为952m3。

2.1混凝土配合比设计

选用减水剂，普通硅酸盐P.042.5级水泥，采用凤台产地5～31.5mm碎石，平均粒径大于0.5mm淮滨产中砂，水泥用量按施工方的配比取为310kg/m3。具体混凝土配合比如下：

水泥∶水∶砂∶碎石∶掺合料∶外加剂=310∶180∶761∶1094∶54.8∶7.66。

2.2冷却水管的布置

冷却水管采用直径32mm黑铁管，竖向分4层布置，水平向按蛇形布置，冷却水管竖向间距为1m，水平间距为1m，距承台混凝土边缘约为0.5m，每层设竖向进水管出水管各1个。

3　承台水化热有限元分析

3.1MIDAS/Civil模型

采用结构分析软件MIDAS建立了主墩承台的水化热分析有限元模型。该计算能够模拟承台混凝土的整个浇筑及养护过程，考虑了混凝土的浇筑温度、混凝土水化热的散发规律、养护方式、冷却水管降温、外界气温变化、混凝土弹模变化、混凝土徐变等复杂因素。

由于模型具有对称性，这里只取1/4模型进行建模和分析。单元采用实体单元，单元总数为11186，节点总数为13258。模型按分两层浇筑进行分析，第一层高度3m，第二层高度2m，施工间隔期为10d。计算时，承台顶面及四周为第三类边界条件；考虑混凝土收缩徐变对混凝土应力的影响，三维模型如图1所示。

图1　1/4镜像结构有限元模型

3.2模型相关计算参数

根据相关技术资料，计算了混凝土的热学性能指标，包括导热系数和比热。采用复合指数式水化热计算方法，估算混凝土最大绝热温升为45℃。根据施工方案，承台混凝土四周采用砖模板，覆盖4cm草席。计算时，相关材料的导热系数为：草席，2.605 kcal/m2·hr·t；混凝土热传导率，2.3kcal/m·hr·t；混凝土比热为0.25kcal·g/kg·t。模型环境温度取为固定值15℃。冷却水管内径32mm，水流速度取1.5m3/h，进水口温度为15℃，水管通水计算时间为168h。根据以往施工控制资料和本项目具体情况，计算分析时混凝土的浇筑温度Tp取为25℃。

3.3水化热分析结果

在MIDAS/Civil中水化热分析大致分为由混凝土水化过程中引起的温度分布分析和温度、龄期引起的弹性模量的变化、徐变及收缩时的应力分析等。由于混凝土内部温度不同，导致体积变化不均匀而发生的内部约束是产生温度应力的主要原因。同时由于水化反应使混凝土的温度达到最大之后会渐渐降温。降温到一定程度时，内部的体积收缩大于外表面的体积收缩，导致外表面产生压应力，内部产生拉应力。

节点温度峰值出现在第二阶段浇筑后的第120h，温度峰值为43.91℃。

图2　承台浇筑出现最高温度时刻1/4模型温度云图

温度峰值节点（X=23.0m、Y=6.0m、Z=7.0m）的温度历程图如图3所示。

图3　最高温度节点的温度历程图

其它几个内部温度较高点与对应表面较低点的温度历程如图4所示。

图4　几个最高温度点与表面最低点的温度历程图

分析可知，承台混凝土内外温差基本都可控制在25℃以内。

第二施工阶段浇筑后第30d节点的主拉应力也达到最大值，该值为2.44MPa，此时的应力云图如图5。

图5　出现最高应力时刻应力云图

最大主拉应力节点应力历程如图6所示。

图6　应力峰值节点的应力历程图

分析表明混凝土最大主拉应力并未超过容许主拉应力，不会产生内部裂缝。

4　水化热温度现场监测情况

4.1监测方案

如图7所示，每个承台各布测温点8个，分别测试混凝土表面温度与内部温度。根据计算和监控经验，大体积混凝土的温差变化在前2～3d内波动最大，因此在这段时间进行不间断测量，测试频率为6h/次，检查混凝土的内外温差是否在容许温差25℃以内。后期适当延长测温间隔。环境温度用普通温度计量测，承台外表温度用搁置在表面的JMT-36c温度传感器（放置5～10min稳定后）量测。

图7　测点布置示意图

4.2监控点实测温度与理论温度变化曲线

第一次浇筑3m，取1、2、3测点的平均温度代表混凝土表面温度，测点4温度表示中心点温度。绘制表面实测温度和理论温度随时间变化曲线，结果见图8。图9反映中心点实测温度和理论温度随时间变化曲线。

图8　第一层浇筑后中心温度实测值和理论值随时间变化曲线

图9　第一层浇筑后表面温度实测值和理论值随时间变化曲线

从图8、图9和图10可以看出，实测数据和理论数据的发展规律一致，实测值偏大的愿意在于冷却水管有堵管现象，水流不足。

图10　第二层浇筑后表面及中心温度实测值和理论值随时间变化曲线

第二次浇筑2m，取测点5、6、7点的平均温度代表第二层混凝土表面温度。测点8表示第二层混凝土核心温度。本层冷却水管流量稳定，冷却效果要好的多，见图10和图11。

图11　第二层浇筑后表面及中心温度实测值和理论值随时间变化曲线

5　结论

通过本实例可以看出，在大体积混凝土施工过程中，合理布置冷水管，可以有效地降低混凝土的水化热作用。现场实测结果说明了理论分析可信，表明利用有限元软件MIDAS/Civil进行大体积混凝土水化热分析是可行的。在计算模拟的基础上，进行有效的监控和采取相应的养护措施，可以避免混凝土因水化热作用而引起的裂缝。

[1]桥梁工程软件midasCivil使用指南[M].北京：人民交通出版社，2013.

[2]赵常煜.大体积承台混凝土水化热温度有限元分析与控制[J].铁道建筑，2012（9）.

[3]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京：中国工业出版社，2000.

[4]张海龙.斜拉桥主梁混凝土水化热的实验与分析研究[J].中国市政工程，2003（6）.

[5]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（2）.

[6]杨立财.大体积混凝土承台施工温度控制与监测[J].铁道建筑，2012（4）.

U443.25

B

1007-7359(2016)03-0162-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.03.059

陈青华（1978-），男，安徽阜阳人，毕业于同济大学，本科，工程师。