大跨径钢管混凝土拱桥大体积混凝土拱座施工温度分布与控制

邓耀春 孙华

摘要：文章针对钢管混凝土特大桥平南三桥南岸拱座大体积混凝土施工过程，采用有限元软件Midas Civil仿真模拟分析拱座温度场，得到整体浇筑和分层浇筑下的拱脚处温度场的分布规律，并提出防止施工过程中由于温度变化及水化热等因素引起裂缝的控制措施。

关键词：钢管混凝土拱桥;有限元软件;拱座;大体积混凝土;水化热分析;温度控制

中图分类号：U443.23 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.07.023

文章编号：1673-4874（2019）07-0072-04

0引言

钢管混凝土拱桥以其独特的优势和优美的外观在我国改革开放后开始得到大量应用，钢拱桥数目从1993年开始大幅增长，1998年以后已超过混凝土拱桥的修建数量，以2015年1月为截止时间，共收集到钢管混凝土拱桥（跨径50m以上）桥例413座，其中最大跨径为四川合江长江一桥，为518m的中承式钢管混凝土拱桥。钢管混凝土拱桥具有抗压强度高、承载能力强、延性好、疲劳寿命长等优良的力学性能;同时还具有结构自重轻、架设方便、施工快速等优越的施工性能，因此在工程中得到了广泛的应用和推广。

在桥梁建设中大体积混凝土构筑物较为常见，如桥墩、盖梁、承台、拱座等都是常见的大体积混凝土构筑物，同时大体积混凝土也是结构物的主要受力构件。大体积混凝土施工质量的好坏将影响到桥梁结构的安全和使用寿命。钢管混凝土拱桥的拱座为典型的大体积混凝土结构，因此有必要对大跨径钢管混凝土拱桥拱座进行水化热分析。

目前，已有较多学者对大体积混凝土水化热进行了研究，并取得了一定的成果。朱伯芳院士基于大量的实际工程，分析认为大体积混凝土开裂主要受混凝土原材料质量、混凝土的配合比、基础温差、内外温差及后期养护的影响，所提出的大体积混凝土温度应力与温度控制方法得到了国内外广泛好评。沈炯伟等以某钢管混凝土拱桥为背景，对拱座温度场和温度应力进行了分析，得到了不同施工方法下的拱脚温度场分布规律及对应的温度应力。余沛等以白浪河大桥群桩承台为例，考虑布置冷却管，采用有限元软件建模，对施工期间承台板大体积混凝土水化热温度场进行数值模拟，结合大体积混凝土施工方法，有效地控制了承台裂缝，为桥梁大体积混凝土施工提供了参考。李之达等对武汉府河大桥22#承台水化热进行了分析，对比实际监测结果和模型计算结果，吻合度较好。

1工程概况

平南三桥位于广西平南县内，为荔浦至玉林高速公路平南北互通连接线上跨浔江的一座特大型桥梁。主桥采用主跨575m（计算跨径560m）中承式钢管混凝土拱桥，引桥采用连续箱梁。主拱采用提篮式钢管混凝土拱桥结构，主跨拱肋为钢管混凝土桁架结构。主控跨径575m（计算跨径560m），计算矢跨比1/4.0，拱轴系数为1.50。拱顶截面径向高为8.5m，拱脚截面径向高为17.0m，肋宽为4.2m。每肋为上、下各两根Ф400mm钢管混凝土弦管，管内混凝土采用C70浇筑。主拱肋通过横联钢管Ф850mm和竖向两根腹杆Ф700mm管连接主管而构成矩形截面，吊杆間距为15.5m。全桥具体布置如图1所示。

南岸拱座设计为分离式，分为左、右2个，横向净间距为20.1m。拱座基础底板采用c30防水混凝土浇筑，拱座主体采用C40防水混凝土浇筑，封拱脚段采用C50防水混凝土浇筑。左右两幅拱座采用系梁连接成整体，系梁顶标高为+22m，底标高为+17m，尺寸为15.1m×5m×5m，属于典型的大体积混凝土结构。在实际修筑南岸拱座时，设计单位做了设计变更，变更后拱座构造见图2。

原设计中南岸拱座采用分层浇筑施工工艺，混凝土的水化热及养护措施均采用“内排外保”，即内部利用冷却管循环水控制大体积混凝土内部升温;外部利用蓄水养护措施对混凝土表面进行保温保湿。后设计方案进行了变更，变更后混凝土养护方式变更为覆盖养护，即取消原设计中混凝土内部冷却水管与表面蓄水养护措施，变为混凝土表面覆盖聚氯乙烯薄膜，顶面加盖棉被。

2拱座分层浇筑

变更后的拱座高17.527m，总混凝土用量约为3673.7m，属于典型大体积混凝土结构。考虑到水化热的影响，在不设置内部冷却水管的条件下，宜分层进行浇筑。拱座从上到下不考虑C50后浇封拱脚，混凝土分为6层进行浇筑，每层层高≤2.5m。具体分层及每层用量见图3，浇筑模板采用DP180式悬臂模板，模板高度为2.65m。

根据施工现场及功能要求，经反复分析计算后得到了C40拱座混凝土配合比（见表1）。

3拱座温度场模拟

3.1拱座有限元模型

3.1.1整体拱座模型

本文采用Midas Civil软件模拟拱座浇筑温度场，根据《大体积混凝土施工规范》（GB 50496-2009）以及《大体积混凝土温度应力与温度控制》一书，结合现场施工材料计算得到模型中的相关参数。考虑到单个拱座的对称性，取单个拱座的1/2进行分析，模型单元为实体单元，变更后的拱座共有21572个节点，16854个单元，如图4所示。

3.1.2分层浇筑模型

拱座包括后浇封拱脚层共分为七层，其中第二层的混凝土量最大，为779m，故产生的水化热也是最大的，因此以浇筑拱座第二层为例分析产生的水化热，同样根据对称性取1/2进行建模，共8975个节点，6728个实体单元（见图5）。

3.2测点布置

模型关于x轴对称，取1/2模型沿x方向、y方向以及x方向布置温度测点。温度场测点布置如图6所示。

3.3温度场分析

拱座整体模型温度场在3d、7d、14d龄期下的云图见图7，在特定单元的温度时程曲线见图8。

由图7和图8可知：拱座内部温峰出现在浇筑后50～100h，最高温度为54.96℃，达到峰值后开始降温。从图中可以明显看出：在拱座核心位置处的温控点达到峰值的时间较非核心区域的点慢，且达到峰值后降温速度慢，越靠近拱座核心温度越高降温越慢。中心区域温度与靠近表面处温度峰值差值较大，而且靠近表面处温度峰值持续时间少，降温时间快，并在较短的时间内达到较为稳定的状态。拱座最大降温速率为1.2℃/d，降温速率<2℃/d。

第二层混凝土3d、7d、14d温度场云图见图9，特定单元温度时程曲线见后页图10。

从图9、图10可知：温峰出现的时间大致在70～100h之间，最高温度为50℃左右，出现在第二层混凝土中心位置附近。达到温度峰值后开始降温，混凝土内部中心及靠近表面处温峰持续时间均不长，中心部位的温峰大于靠近表面处的温峰，温峰差值达10℃。混凝土降温在较短的时间内达到稳定状态，最大降温速率为1.7℃/d，降温速率<2℃/d。

由温度场分析可知整体浇筑和分层浇筑的差异。拱座整体浇筑时最大的温度可达54.96℃，而分层浇筑时第二层混凝土（浇筑量最大）最大温度为50.1℃，相差4.8℃，而且分层浇筑时温峰持续时间短，达到稳定状态较快。

4结语

综合上述分析可知，在整体浇筑大体积混凝土结构物时，混凝土內部会产生较大的温度使内部温度逐渐升高，并在一定龄期内达到温峰，在此之后温度下降。由于混凝土是热的不良导体，内部散热缓慢，而外部与空气接触散热快，使得内外产生温差，从而使混凝土表面产生温度应力，在超过混凝土抗拉强度后会导致开裂。因此有必要在大体积混凝土浇筑时采取相关施工措施保证施工质量，建议优化措施如下：

（1）优化混凝土配合比，选择优良的混凝土外加剂，控制混凝土中水泥的用量，选择水化热较低的水泥，这是降低混凝土内部水化热最直接、有效的方式。

（2）宜分层浇筑。为减少大体积混凝土构筑物水化热而引起的收缩徐变裂缝，应根据现场实际条件和设计要求对拱座混凝土进行分层浇筑，达到减小混凝土内部核心区域温度的目的。

（3）控制混凝土入模温度。现场浇筑时，应尽量选择较为适宜的天气温度进行大体积混凝土浇筑。施工时合理调度，保证现场供需平衡，缩短混凝土的浇筑时间。

（4）混凝土的水化热及养护措施均采用“内排外保”的方式，即内部利用冷却管循环水控制大体积混凝土内部升温;外部采用蓄水养护措施对混凝土表面进行保温保湿或者覆盖养护，在混凝土表面覆盖聚氯乙烯薄膜加棉被。