大体积海工砼温度应力仿真计算及控制技术措施

■王品香

（福建省交通建设工程监理咨询有限公司，福州350001）

大体积海工砼温度应力仿真计算及控制技术措施

■王品香

（福建省交通建设工程监理咨询有限公司，福州350001）

大体积混凝土浇筑时由于受到水化热作用，在浇筑后将经历升温期、降温期和稳定期三个阶段，在这些阶段中，随着温度的变化混凝土会发生体积收缩，当混凝土体积收缩受到约束就会产生拉应力，如果该拉应力超过混凝土的抗拉强度，将导致混凝土开裂造成危害，本文以泉州湾跨海大桥主墩承台为例介绍大体积海工砼的温度应力仿真计算及控制措施。

大体积海工混凝土温度应力仿真计算温控措施

1　前言

大体积混凝土开裂的主因是温差应力与混凝土本身拉应力强度之间矛盾发展的直接结果。混凝土开裂对结构耐久性产生的影响是显而易见的，特别是处于海洋环境中的混凝土结构，由于其特殊腐蚀环境，对混凝土的耐久性提出更高要求，故必须对混凝土的温度进行有效的控制使之不出现有害温度裂缝，以确保混凝土的质量。

2　工程概况

泉州湾跨海大桥主桥Z3#、Z4#主墩承台为倒圆角的矩形截面，边塔柱分承台截面尺寸为15.3m （横桥向）× 17.9m（顺桥向），中塔柱分承台截面尺寸25.7m（横桥向）× 17.9m（顺桥向），承台之间通过两根系梁连接，单根系梁尺寸为4.6m（宽）×4.5m （高）×8m （长）。承台顶标高为5.5m，厚度为6.0m（见图1）。

3　温度应力仿真计算

3.1气象资料

泉州湾跨海大桥桥址区属典型的亚热带季风湿润气候区，季风显著，四季分明。当地气候温暖湿润，雨量充沛，年均气温16.6℃，夏季平均气温33.8℃，冬季平均气温3.6℃。

3.2设计资料

承台混凝土设计强度等级为C35，混凝土劈裂抗拉强度参考值按经验取值，见表1；物理热学参数按经验取值，见表2。

表1　承台混凝土劈裂抗拉强度参考值（MPa）

表2　承台混凝土物理热学参数

计算时考虑徐变对混凝土应力的影响，混凝土的徐变取值按经验数值模型，如下式所示：

C（t，τ）=C1（1+9.20τ-0.45）（1-е-0.30（t-τ））+C2（1+1.70τ-0.45）（1-е-0.005（t-τ））

式中：C1＝0.23/E2，C2＝0.52/E2，E2为最终弹模。

3.3主桥承台温度应力仿真计算

3.3.1模型参数

承台分两次浇筑，浇筑高度分别为2.0m、4.0m；系梁一次浇筑完成。根据结构对称性，取承台1/4进行温度应力计算，模型网格剖分图见图2。

（1）参考气候资料，风速按≥4.0m/s考虑。

（2）采用钢模板施工，其侧面等效表面放热系数取为1840.0 kJ/（m2·d·℃），混凝土上表面散热系数取为1973.5 kJ/（m2·d·℃）。

（3）计算时考虑冷却水管的降温效果。

（4）温度及温度应力计算从混凝土浇筑开始，模拟之后半年的温度应力发展。

3.3.2计算结果

承台混凝土夏季施工浇筑温度按不超过28℃控制。在以上设定条件下，承台各部分内部最高温度计算值见表3，温峰出现时间约为浇筑后第3天，内部最高温度包络图见图3，温度应力场分布见图4，应力计算结果见表4。

表3　索塔基础混凝土内部最高温度计算值（℃）

表4　索塔基础温度应力场结果

从图3、表3可以看出混凝土内部温度较高、散热较慢，应优化中间部位水管布置、加强内部通冷却水，注意表面保温。

由图4、表4可以看出，索塔基础中间及两侧承台的第一层早期（3d）温度应力发展平缓，集中于上表面及侧面，为表面拉应力；7d后有部分应力向承台内部转移，表面应力减小并转化为压应力，内部拉应力因受力条件改变约束变大而后期快速发展。受层厚较大影响，中间及两侧承台的第二层、系梁早期（3d）温度应力发展较快，集中于上表面及侧面；7d后有部分应力向索塔基础内部转移，表面应力减小，内部应力逐渐发展至稳定。

根据温度应力计算结果，对不同部位、不同龄期、不同抗开裂能力的混凝土采取不同的温控要求：①中间及两侧承台的第二层3d抗裂安全系数仅为1.04，安全系数较低（＜1.3），分析为混凝土层厚较大、拉应力发展较快而早期抗拉强度尚未发展起来所致；需特别加强对该部位的表面保温保湿养护，同时加强内部通水，做到外保内散；②索塔基础其它龄期的混凝土安全系数较高（≥1.3），抗开裂能力较强，需根据工况采取科学而有效的温控措施，严格控制内表温差，特别是做好表面保温保湿养护工作，以避免索塔基础混凝土出现有害温度裂缝。

4　温控措施

4.1温控标准

混凝土温度控制的原则如下：

（1）控制混凝土浇筑温度；

（2）尽量降低混凝土的温升、延缓最高温度出现时间；

（3）控制温峰过后混凝土的降温速率；

（4）降低混凝土中心和表面之间、新老混凝土之间的温差以及控制混凝土表面温度和气温之间的差值。

根据本工程的实际情况，对各大体积混凝土构件制定如表5的温控标准：

表5　各构件温控标准

4.2现场温度控制措施

根据以上的仿真计算结果以及温控要素，在混凝土施工中，从混凝土的原材料选择、配比设计以及混凝土的拌和、运输、浇筑、振捣到通水、养护等全过程进行控制，具体措施如下：

（1）混凝土配制

为使海工大体积混凝土具有良好的抗裂性能、体积稳定性和抗渗性，混凝土配制按如下原则配制：

①采用低水化热的胶凝材料体系；

②选用优质聚羧酸类缓凝高性能减水剂；

③掺加优质引气剂；

④选用级配良好、低热膨胀系数、低吸水率的粗集料；

⑤使用低流动性混凝土。

（2）混凝土浇筑温度的控制

控制混凝土的浇筑温度对控制混凝土裂缝非常重要。相同混凝土，入模温度高的温升值要比入模温度低的大许多。本承台大体积混凝土浇筑温度的要求为不高于28～30℃，故通过控制原材料的温度来实现控制混凝土的浇筑温度。

（3）冷却水管布设及控制

根据混凝土内部温度分布特征及控制最高温度的要求，水管水平管间距控制为80cm，垂直管间距控制为80～100cm，距离混凝土上、下表面、侧面控制为 80～100cm。

每层冷却水管被混凝土覆盖并振捣完毕后即可通水，通水时间根据测温结果确定。浇筑至温峰前应通最大水流量，尽量削减混凝土温峰；温峰过后（以现场测温数据为准）适当减小通水量，防止混凝土降温过快造成温度应力累积而引起开裂。待冷却水管停止水冷并养生完成后，先用空压机将水管内残余水压出并吹干冷却水管，然后用压浆机向水管压注水泥浆，以封闭管路。

（4）内外温差控制

对于大体积混凝土，由于水化放热会使温度持续升高，在升温的一段时间内应加强内部散热，如加大通水流量、降低通水温度等。当混凝土处于降温阶段则要表面保温覆盖以减小降温速率。混凝土保温充分、时间足够长，让混凝土慢慢冷却，直到温差达到允许范围，温度应力会在混凝土内部释放，可有效控制有害裂缝的产生，本承台施工当混凝土升温阶段采用蓄水养护，当高峰期过后（4d）采用土工布覆盖加淋水养护。

4.3现场监控

为检验施工质量和温控效果，掌握温控信息，以便及时调整和改进温控措施，做到信息化施工，需对混凝土进行实时温度监测，检验不同时期的温度特性和温控标准。当温控措施效果不佳、达不到温控标准时，可及时采取补救措施。

本项目的温度检测仪采用智能化数字多回路温度巡检仪，温度传感器为热敏电子传感器。传感器的埋设参照《混凝土大坝安全监测技术规范》（SDJ336-89），并根据桥梁大体积混凝土的特点加以改进，监测元件埋设示意图见图5。

5　结语

通过混凝土的原材料、拌制、浇筑以及冷却管通水控制，经提取监测元件数据分析（以中承台第二层为例，见图6）和已浇筑混凝土表面检查，未发现裂缝的产生。本项目承台的温控达到了即定目标，确保了本工程的承台质量。同时，本项目大体积混凝土的温控技术及措施也可为同类型工程提供参考。

［1］JTG/T F50-2011，公路桥涵施工技术规范［S］.

［2］GB50010-2002，混凝土结构设计规范［S］.

［3］GB50204-2002，混凝土结构工程施工及验收规范［S］.