桥梁塔柱温控措施效能评价及优化方法

黄维树，宋军

（1安徽省交通控股集团有限公司，安徽 合肥 230088；2上海同济检测技术有限公司，上海 200092）

1 引言

大体积混凝土在施工期间，由水化温度引起的形变，在受到约束的情况下产生应力效应，由于早期强度偏低，容易产生开裂现象[1]，影响混凝土质量。桥梁塔柱在施工中也面临水化温度效应的影响，部分桥梁由于未能开展有效的控制，产生严重的开裂现象[2]。针对大体积混凝土构件的温度控制措施已有较多研究[3、4]，但主要集中于对措施本身的探讨方面，并未对各措施的效果进行对比，未建立相关评价体系，工程中往往不能很好的对措施进行优化，可能造成经济成本投入的增加。

本文以芜湖长江公路二桥中下塔柱的温度控制为例，开展入模冷却、水管降温措施的效能评价研究，提出温控措施的优化方法。芜湖长江公路二桥中下塔柱总高151.48m，横向分为两肢。其中单肢呈扁平状，由两侧实心及中间薄壁组成，实心与薄壁的尺寸均超出1m，为典型大体积混凝土构件，见图1所示。塔柱混凝土采用C50，配合比见表1所示，绝热温升为 58.3℃。

图1 单肢标准节段示意图

塔柱配合比 表1

2 温控措施效能分析

基于有限元分析方法，分别对入模冷却、管冷降温的效能进行分析。

2.1 入模冷却

首先对入模温度与最高温度之间的关系进行分析，然后对入模冷却的各项减热措施的效能进行分析。

2.1.1 入模温度与最高温度关系

采用Ansys建立1/2空间有限元模型，考虑水管作用，环境平均温度设定为25℃，分别计算入模温度为25℃、18℃对中下塔柱的温度影响，计算结果分别见图2与表2所示。

图2 不同入模温度下的温度场

不同入模温度的计算最高温对比 表2

入模温度25℃时，实心区最高温为68.0℃，出现在 2.3d左右，薄壁最高温为 64.5℃，出现在 2.1d左右；入模温度18℃时，实心区最高温升为62.6℃，出现在第 2.5d，薄壁最高温升为 59.6℃，出现在第2.2d。从温度对比可以看出，入模温度相差7℃时，最高温度相差4.9～5.4℃，入模温度减热效果在 0.70～0.78之间。

2.1.2 入模冷却措施的效能分析

混凝土为拌合材料，原材温度影响混凝土的入模温度，在拌合过程中保持热量平衡，根据相关规范资料，出机口温度可参照规范[5]附录D计算。通过对公式进行变换，得到原材温度每下降1℃时出机口温度下降幅度的计算公式。

式中，ΔT0,i为第i种材料温度下降1℃时出机口温度下降幅度；ci为第i种材料比热容；Wi为每立方米混凝土中第i种材料的质量；cc为混凝土比热容，取0.96kJ/(kg×℃)；ρc为每立方米混凝土重量，取 2400kg。

将本项目的配比代入如上公式，可以计算出原材对入模温度影响，见表3所示。从计算表中可以看出，石子、砂子以及水的温度对混凝土出机口温度影响较大。

冷却混凝土可拌合水或者在拌合混凝土的时候掺加冰屑，是预冷混凝土的最简易的方法，这是因为冰块溶解的过程中吸收大量的热量，约355kJ/kg，因此能够取得明显的冷却效果。以50kg/m3的冰屑进行控制时，通过简单的热力学换算，可得到其降低入模温度8～10℃，效果较为显著。

原材温度对出机口降温效果影响 表3

2.2 水管降温

分别对水管密度与水温的影响进行研究。

2.2.1 水管密度影响分析

对水管密度的影响进行研究，分别采用了层高1m的网格以及0.5m的网格建模，入模温度按照28℃考虑，最高温度见图3所示。管冷密度为1m区域的最高温为65℃，相较于绝热状态减小了15.3℃，管冷密度为0.5m区域的最高温为45℃，相较于绝热状态减小了41.3℃。通过增加密度降低温度的效果比较显著。

图3 不同网格密度的温度云图

2.2.2 水温影响分析

以水管中心距为1m为例分别计算了水温低于入模温度10、5、0℃的情况，计算得到温升值分别为 42.1℃、43.1℃与44.1℃，影响相对较小。

3 综合优化方法

对优化方法和关键指标进行研究，给出相关计算示例。

3.1 优化方法

建立考虑经济性的计算方法，目标控制温度可由式2进行计算，式中0.7为折算系数。

式中：Tmax为目标最高温度；T0为无降温措施时的入模温度；Tabs为绝热温升；T1为入模降温数量；T2为管冷降温数量。

T1与T2为待优化参数，根据经济性原则进行确定，经济成本投入可由式3进行计算。

式中：E为成本总投入；T1,i为入模降温每项措施的选用数量；e1,i为入模降温每项措施降低单位温度时的成本投入；T2,j为水管降温每项措施的选用数量；e2,j为水管降温每项措施降低单位温度时的成本投入。

3.2 关键指标

根据建设实际过程中的各项支出费用统计，对第二节中的各项措施的效能进行分析，经济性指标定义为每单位花费降低单位温度量值，与e互为倒数，统计结果见图4所示。

图4 各项措施的效能对比

由统计可以看出，增加水管密度的方法效果最佳，每1元可降低单方混凝土0.187℃，其次为拌和加冰措施，每1元可降低单方混凝土0.098℃，效果最低的为降低水温，每1元只能降低单方混凝土0.008℃。因此应优先选用水管以及加冰措施。

3.3 优化示例

由于式（3）基本上为线性式，故可以采用最优指标最大化的方法开展优化，芜湖长江公路二桥桥塔的优化方法分为如下两种。

3.3.1 仅有水管措施

由于管冷措施的效果约为加冰效果的2倍，远超出其他措施的控制效果，故可以通过持续增加水管的方式，实现既定的控制目标。经计算管冷密度在0.5～1m之间，可满足所有节段的温度控制要求。

3.3.2 复合措施

工程经验表明，无控制情况下，夏季入模温度超出规范限值（28℃）的可能性较大，因此，采取入模温度的控制措施是必须的。复合措施以经济性指标最好的前两项措施开展优化。在工程实施情况，加冰以50kg/m3进行控制，管冷密度以下方0.5m、上方1m进行控制。

4 结论

综上所述，以芜湖长江公路二桥中下塔柱的温度控制为例，开展了桥塔稳控措施的优化方法研究。

①通过有限元及热量计算分析，明确了各项措施的降温效果，其中入模冷却的降温效果约为 0.7～0.8，对石子及拌合水进行降温的效果最好；水管冷却效果较入模冷却效果好，降温效果取决于管冷密度；冷却水管内的水，效果较差。

②建立了经济性计算方法，与芜湖长江公路二桥为例，给出了各项措施的经济性指标，明确了水管冷却的效能最佳，其次为掺冰措施，降低水管水温的方法效能最差。

③结合芜湖长江公路二桥中下塔柱实施，给出了优化示例，供同类工程参考选用。