大体积混凝土温度控制与MIDAS建模参数调整分析

王忠

摘要： 大体积混凝土由于受温度应力的影响，严重时就会产生裂缝，针对这一问题，以某特大斜拉桥承台大体积混凝土施工为背景，通过有限元仿真计算分析，明确了承台混凝土结构的应力场和温度场的特征，提出了相应的温控标准和温控措施。同时，通过对4#承台仿真计算结果与实测进行分析对比，反复调整建模中的一些参数再进行反算，结果表明，参数调整后的温度场更加符合实际，并在后期5#承台浇筑中得到应用。为类似工程提供了有益借鉴。

Abstract： Mass concrete is affected by temperature stress， and cracks occur when serious. In view of this problem， based on the construction of mass concrete of bearing cap of a super large cable stayed bridge， through the finite element simulation analysis， the characteristics of stress field and temperature field of concrete structure of concrete cap are defined， and the corresponding temperature control standards and temperature control measures are put forward. At the same time， the simulation results of 4# cap are compared with the actual measured results. Readjust some parameters in the modeling， and then do the inverse calculation. The results show that the temperature field after adjusting the parameters is more practical， and it is applied in the later 5# cap casting. It provides a useful reference for similar projects.

关键词： 大体积混凝土；温度控制；承台

Key words： large cubic concrete；temperature control；pile cap

中图分类号：U445.57 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）32-0133-03

0 引言

大体积混凝土在施工期間的温度裂缝问题一直是工程界所面临的一个难题，它影响因素诸多，形成机理比较复杂。从裂缝成因分析来看，国内外普遍认为温度荷载是引起裂缝的重要因素[1-3]，因此温度控制是保证大体积混凝土质量的一个重要方面。混凝土在硬化时由于水化热的作用会释放出大量的热量使其混凝土内部温度升高，在降温期间，由于非均匀降温而受到自身约束和外部约束，自身约束是内部混凝土的互相约束，产生自身应力；外部约束是来自基础或旧混凝土的约束，产生外约束应力。自身应力和外部约束应力都是由混凝土温度变化而引起的温度应力[4-5]，当这种温度应力超过混凝土相应龄期的抗拉强度时就会产生裂缝，温度裂缝不仅影响结构的承载力和设计效果，而且对结构的安全性和耐久性也有很大的影响。为此，本文采用有限元MIDAS软件对施工期间温度场和应力场进行了仿真计算分析，明确了承台混凝土结构内部的温度场和应力场的特征，提出了相应的温控指标和温控措施，为类似工程提供了有益借鉴。

1 工程概况

某特大桥主跨为406m三塔双索面钢箱钢桁结合梁斜拉桥，全长1290.24m。3、4、5号主墩承台设计为圆端形，平面尺寸44.51m×25.5m，承台高6.5m。承台平面面积1015.5m2，混凝土标号为C30，承台设计混凝土方量6600.6m3，钢筋583.8t。承台混凝土分两次浇筑完成，第一次浇筑3m，约3046.4m3，第二次浇筑3.5m，约3554.2m3。

2 本工程所采用的温度控制措施及分析

2.1 原材料

水泥：承台所采用的水泥水化热试验结果表明，3天水化热为228.3kJ/kg，7天水化热为262.6 kJ/kg；细骨料：选用河砂，细度模数2.3～3.0，细骨料含泥量不大于2.5%；粗骨料：选用岳阳临湘碎石，粗骨料含泥量不应大于1.0%，粗骨料选用石灰石，其热膨胀系数低，能够有效减少热应变；粉煤灰：Ⅱ级粉煤灰；外加剂：高效减水剂。

2.2 配合比设计阶段的温控措施

承台大体积混凝土的粉煤灰掺量为38.5-39%，水胶比0.38，砂率为40-42%，具有良好的流动性、和易性及泵送性能。粉煤灰可替代部分水泥，能有效降低绝热温升；粉煤灰在水泥水化初期不参与水化，能有效降低温峰值。

据此设计承台C30混凝土配合比如表1，3号墩承台混凝土绝热温升为42.6℃，4、5墩承台混凝土绝热温升均为41.9℃。

2.3 降低混凝土入模温度的措施

在混凝土拌和之前先测量水、水泥、骨料及掺合料的温度，根据经验公式估算拌和后混凝土的温度，如不能满足入模温度要求，应采取在拌和水中加冰来调节水温，以控制出机口温度，直到满足要求为止。控制入模温度的主要措施如下：

①粗骨料和细骨料。对砂、石等原材料采取防晒储存措施，砂、石料存储仓实行顶盖+侧面遮挡防晒措施。

②拌和水。当入模温度难以满足要求时，优先考虑在拌和水中加冰块来降低拌和水温度。根据计算，拌和水的温度每降低1℃，混凝土的出机口温度会降低0.25℃，碎石的温度每降低1℃，混凝土的出机口温度会降低0.35℃左右。endprint

③拌和泵送。对配料斗、皮带运输机及搅拌机采取遮阳措施；对混凝土泵管表面采取麻袋覆盖包裹，并浇水降温。

2.4 采用管冷降温措施

为了降低混凝土内部最高温度，减小基础温差和内外温差；同时也为了根据施工需要灵活的将混凝土温度降低至指定温度，因此本工程进一步采取混凝土内部布置冷却水管法，水管采用Φ50钢管，水管竖向间距1m，水平间距0.8m。温控过程中利用水箱建立冷却循环系统，在升温阶段开启最大流量，以尽可能多的带走混凝土内部的热量；在降温阶段主要通过流量和进水口水温的调节以满足降温速率的要求。温控过程中每12～24h改变一次水流方向，以使混凝土内部的温度场变得均匀一些。

2.5 表面保温保湿养护

大体积混凝土的裂缝主要由温度应力和干缩应力产生，对混凝土表面进行保温保湿养护可以减小混凝土的内外温差，防止表面裂缝；防止外界气温骤降引起的危害结构安全的裂缝；有效减小干缩变形。本项目承台侧面采用木模板+彩条布，顶面采用薄膜+棉被。

2.6 构造措施

通过计算发现，承台混凝土的拉应力主要分布在上表面，在棱边处存在应力集中现象，建议在承台表面配制防裂钢板网，以减轻应力集中效应，提高混凝土的抗裂性。实际施工中在承台第二次浇筑时顶面配制了防裂钢板网，效果良好。

3 温度监测及温控措施

3.1 温度测点布置及测温控制

根据结构对称性的特点，选取1/4承台作为主要测试区域；测点的布置充分考虑了温控指标的测评；布置了必要的备用测点，以防损坏。承台每次浇筑分四层共布置34个温度测点，另布置包括水温及气温测点若干。

在水化热升温阶段，每2～4小时测1次，在降温阶段初期，降温速率较快，每4～6小时测1次，在降温阶段后期每12～24小时测1次。根据温度场及应力场的计算结果，结合与监测结果的对比分析，以4号墩承台第二次澆筑混凝土芯部点数据进行分析见图4-2，若发现温度指标超过规范要求后应及时报警。

3.2 温度控制指标

根据现行规范结合现场实际情况，此特大桥温度控制的主要温控指标如下：混凝土入模温度不宜超过28℃；里表温差不宜大于20℃；最高温度值不宜大于60℃，最大不超过65℃；的降温速率不宜大于2℃/d。

4 仿真计算分析

利用MIDAS CIVIL建立实体模型进行温控分析，计算模型见图1。

4.1 原计算结果与实测对比分析

通过工程实测取得的温度数据和事先采用有限元模拟得到的数据进行比较分析，以验证采用有限元法模拟得到的前期试验用来养护数据的合理性。在此选用4号墩承台第二次浇筑混凝土数据进行分析。在方案制定阶段采用的入模温度为17℃，计算最高温度为52.7℃。实测4#墩承台第二次浇筑入模温度在18℃左右，最高温度为47.9℃。在此以芯部测点为参考，计算与实测温度曲线对比见图2。

由图2可知， 混凝土在浇筑完成后急剧升温，浇筑完2.5d左右达到温峰值，理论计算为52.7℃，实测为47.9℃，实测与理论计算值比较接近，以及其曲线变化规律也与理论变化规律基本吻合。随后混凝土温度逐步下降，前期降温速率比较快，随后降温速率较平缓，逐渐趋于稳定。芯部点XY3-0原方案计算值高于实测值，到达温峰的时间也比实测值晚，说明混凝土实际放热速率比计算的要快，绝热温升比计算值小。

4.2 温度反算结果与实测对比分析

根据实测值与计算值的对比分析，对相关计算参数进行了调整，通过反复试算，调整后计算参数与原计算参数对比见表2。温峰时温度场分布云图见图3，芯部测点的计算与实测温度曲线对比见图4。

由图4可知，在参数调整之后，计算值与实测值无论是在峰值还是峰值到来的时间以及曲线的变化规律基本一致。对实际工程的指导更有意义。

4.3 参数调整后的温度应力计算结果

温度参数调整后，计算的最大温度应力为2.0Mpa，温度应力云图见图5，各关键测点的应力时程曲线见图6。

计算过程中发现，在升温阶段最大主拉应力分布在冷却水管周围，这主要是因为升温阶段采用大流量通冷水以消减温峰，导致水管周围温度梯度较大，自约束应力偏大。有上图可知，混凝土升温期间内部表现为压应力，最大为1.8MPa，后期逐步转化为拉应力。整体混凝土拉应力主要分布在承台外表面及棱边，最大温度应力发生于温控后期，位于承台长边中心附近，主要是由混凝土降温及收缩变形引起，与理论分析一致。棱边处双面散热，温度梯度大，后浇筑混凝土的底部受旧混凝土约束作用强，均为拉应力集中分布部位，应加强养护。可见，最大温度应力发生于温控后期，位于承台长边中心附近，主要是由混凝土降温及收缩变形引起，与理论分析一致。

5 结论

此特大桥主塔承台大体积混凝土的温度控制，通过优化混凝土的配合比，严格控制原材料质量，尽可能的降低入模温度，承台混凝土内部布置冷却水管，加强保温保湿养护等措施取得了较为理想的效果，在整个浇筑养护期间，承台大体积混凝土的表面未出现可见裂缝。通过本次实践可以得出以下结论。

①在整个温控过程中承台混凝土的最高温度64.1℃、最大里表温差19.8℃、最大平均降温速率1.82℃/d，主要温控指标均满足规范和设计要求。

②仅就当前承台C30混凝土所采用的配合比而言，绝热温升在为39℃左右；入模温度为18℃左右时，放热速率系数可取为1.0；侧面采用2cm木模板+1层彩条布的保温效果较好，对流系数可取为12kJ/m2·h·℃， 顶面采用1层塑料薄膜+1层棉被（湿润）对流系数取可为12kJ/m2·h·℃。

③由于混凝土温度裂缝影响因素较多，形成机理较为复杂，建议在混凝土施工之前进行多工况、多参数进行仿真计算分析，选择最优的方案，把包括配合比等各种不利因素均考虑在内，确保避免温度裂缝的产生。

参考文献：

[1]Schutter G De.Finite element simulation of thermal cracking in massive hardening based material laws[J].Computers & Structures，2002，80（27-30）：2035-2042.

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