温塘特大桥主桥承台大体积混凝土水化热全过程仿真分析

张晓林，王德明

（中交路桥华东工程有限公司，上海201203）

1 工程概况

温塘特大桥主桥采用95m+180m+95m 连续钢构，为预应力混凝土变截面悬浇箱梁，4 号和5 号主墩采用双肢薄壁墩，左右幅合设一个承台，平面尺寸为26m×17m，厚度为5m，采用C30 混凝土，垫层采用C25 混凝土。模板采用组合钢模板，一次浇筑成型施工工艺。采取混凝土内布设冷却水管，承台顶蓄水养护及承台侧模覆盖保温层的措施确保大体积承台的质量。

2 模型的建立

2.1 材料特性

承台采用C30 混凝土，配合比（kg/m3）为∶水泥∶粗骨料∶细骨料∶水∶外加剂∶掺合料=179∶1073∶810∶158∶3.59∶180；垫层采用C25 混凝土。

2.2 混凝土的热力参数

混凝土物理热学特性参数如表1 所示。

表1 混凝土物理热学特性参数

2.3 边界条件

水化热分析的边界条件分为有限元模型位移边界条件和热传导分析边界条件。其中，热传导分析边界条件包括单元对流边界、单元固定温度边界以及与热传导分析相关的环境温度函数、对流系数函数和热源函数[1]。

2.3.1 环境温度函数

环境温度对承台混凝土温度的影响非常显著，因为原材料初始温度、混凝土料运输入仓、浇筑层的边界散热均受到环境温度的直接影响[2]。可以说除水泥水化热外，气温是直接影响混凝土温度的最主要因素。气温的变化会对混凝土的温度产生较大的影响，也是引起混凝土裂缝的重要原因，并成为计算温度应力和制定温控措施的重要依据[3]。

考虑到温塘特大桥承台大体积混凝土的施工时间在12 月中旬至1 月之间，参考历史气象资料，统计得到近3～4 年的月平均气温，如表2 所示。

表2 近年气象资料统计℃

2.3.2 对流系数函数

对流系数函数反映了流体与固体表面之间的换热能力。表面对流系数的数值与换热过程中空气的物理性质、换热表面的形状、部位、表面与空气之间的温差以及空气的流速等都有密切关系。物体表面附近空气的流速愈大，其表面对流系数也愈大。固定表面在空气中的放热系数与风速有关，其在空气中的散热系数可用公式估算：β=23.9+14.5Va（式中，Va为风速，m/s）。当固体表面采取了保温措施，可以根据保温材料的相关参数换算等效对流系数[4]。

2.3.3 热源函数

热源函数一般可以根据混凝土的配合比进行绝热温升测试，试验依据DL/T 5150—2001《水工混凝土试验规程》绝热温升方法进行，承台施工用C30 混凝土，参考配合比参数，7d 绝热温升取44.8℃（见图1）。

图1 C30 混凝土绝热温升拟合曲线

2.3.4 初始温度条件

初始温度即为混凝土的入模温度。入模温度越高，导致峰值温度越高，容易出现过大内外温差。但入模温度过低，则易导致混凝土难以初凝。根据现场施工条件，可采取有效措施控制混凝土的入模温度在15℃以内[5]，但建议最低温度不得低于8℃。因此，计算时取入模温度为15℃。

2.3.5 温度条件

桥址区域属亚热带温暖湿润气候，年均降雨量为1 200～1 430mm，年均蒸发量1 350～1 650m，年平均气温16.5～17.5℃，极端最高气温40.1℃，极端最低气温-12.1℃，年平均风速1.5～2.2m/s，最大风速40m/s。因此，计算分析时，按照该温度条件进行计算。

2.3.6 冷却水管

冷却管布置为4 层，分别在80cm、190cm、300cm、410cm处，每层布置1 根环形管，以及2 根核心冷却管；冷却管水平管间距为100cm，距离混凝土表面100cm，距离混凝土侧面100cm，具体参数如表3 所示。

表3 冷却水管参数

现场制作2 个水箱，一个作为冷循环水箱，为承台提供冷却水；另一个作为储水箱，用于收集承台排出的循环水。循环水箱容积大于5m3，与承台顶面要保证水头差在5m 以上，保证冷却水有足够的水头差。如条件不具备，则采用分水器加压。储水箱置于承台冷却水管出水口处，容积大于2m3。储水箱和循环水箱采用水泵相连。

现场同时配备6 台15kW 的水泵，其中2 台用于抽取水到冷循环水水箱中，2 台用于抽回收循环水水箱中热水到冷循环水水箱中，2 台备用。冷却水管采用φ50mm×2.5mm 型，每根水管进出水分别进行编号，进水口设置单独的阀门，以控制流量。混凝土升温期直取冷水作为冷却水，混凝土降温期采用温水作为循环水，并控制进水温度与混凝土内部温度之差≤25℃。温水的来源为储水箱温水抽回至循环水箱混合。若循环水进水温度不满足要求，采用大功率电热水器或者锅炉烧热水补充热循环水

实施过程：混凝土浇筑前进行不短于30min 的加压通水试验，查看水流量大小是否合适，发现管道漏水、阻水现象及时修补至可正常工作。第1 层混凝土浇筑开始即开通第1 层水管，混凝土覆盖第2 层冷却水管即开通2 层水管。第2 层混凝土浇筑开始即开通第3 层水管，混凝土覆盖第4 层冷却水管即开通第4 层水管。混凝土升温阶段初始采用直取冷水降温，水量约为2～2.5m3/h；混凝土温度超过一定值后利用冷却管的出水补充热水控制进水温度与内部最高温度差≤25℃。降温期间控制降温速率≤2℃/d。如降温速率过快，则酌情调小阀门，控制流量。

3 有限元模型

根据上述混凝土热工参数，环境温度，混凝土入模温度，冷却水管通水温度条件，以及拟采取的混凝土表面保温措施等，进行混凝土水化热温度场和应力场计算分析。采用六面体网格单元，兼顾计算效率和分析精度，承台划分3.75×104单元数，建立封底混凝土层厚度，考虑了封底混凝土层对承台底部混凝土的热传导性能的影响，同时计算时考虑了混凝土收缩徐变对温度应力场的影响。模型如图2 所示。

图2 温塘特大桥主墩承台有限元模型图

针对承台实际情况，分析工况如下：承台一次浇筑成型，布设4 层冷却水管，承台顶面蓄水保温，侧壁钢模覆盖保温对流系数采用25kJ/（m2·h·℃），顶面蓄水养护对流系数采用15kJ/（m2·h·℃），入模温度15℃，环境温度按照施工时间取值，混凝土绝热温升44.8℃。

节点的温度时程曲线可以有效反映关键控制节点温度随承台水化热进程的变化过程；在核心温度区域和分层浇筑表面布置典型的温度监控点，监控施工全过程关键控制节点的温度变化情况[6]。

节点的应力时程曲线可以有效反映关键控制节点应力随承台水化热进程的变化过程；在核心应力区域和分层浇筑表面布置典型的应力监控点，监控施工全过程关键控制节点的应力变化情况。承台的应力监控点同温度监控点。承台的温度、应力监控点分布情况如图3 所示。

4 分析计算结果

4.1 温度结果

承台关键节点温度计算结果如表4 所示。

图3 承台温度、应力监控点分布情况

表4 承台温度结果

4.2 应力结果

承台关键节点应力计算结果如表5 所示。

表5 承台应力计算结果

经建模分析计算，承台最大峰值温度为53.7℃，最大内外温差＜25℃，应力安全系数＞1.4，满足温控规范要求。

5 结语

以温塘特大桥主桥大体积混凝土承台为背景，充分考虑了工点施工的实际因素，通过三维有限元软件严谨合理地进行水化热全过程仿真分析，确保了结构安全，降低了施工风险，保证了施工质量，为下步施工工序奠定了坚实基础，也为后续的类似工程提供相应的经验。