嘉陵江特大桥9# 墩承台混凝土浇筑温度效应分析及影响因素敏感性研究

宣晓东，刘 鹏，欧阳华

（1.中交一公局第八工程有限公司，天津市300000；2.中交一公局桥隧工程有限公司，湖南 长沙410114）

0 引 言

在深水大跨径桥梁建设中，需要大尺寸桥墩承台来承担大跨高墩桥梁的承载力、结构稳定和结构整体刚度等要求[1-4]。然而，混凝土在浇筑后因水泥水化凝结而在短时间内产生大量的水化热[5]，且混凝土热传导性较差，致使混凝土内外温差较大（通常可达20～50 ℃）[6-8]，产生内外应力差，在混凝土塑性收缩过程中最终产生裂缝[9]，影响混凝土构件的力学性能和使用寿命。因此，在深水大跨径桥梁的大体积承台混凝土浇筑施工前，研究实例工程在施工方案下的水化放热过程、影响因素与影响效应，并针对性地提出温控措施，对于减小大体积承台混凝土温度应力裂缝，保证桥梁施工、运营安全具有十分积极的意义。

目前，常见的控制大体积承台混凝土温度应力裂缝的工程措施主要有3 类[10-12]：（1）采用工程措施促进混凝土内、外部的热传递，常见的措施主要有预埋冷却水管道法；（2）直接降低混凝土内外温差，主要的方法有采用冰水拌和；（3）优化施工原材料，包括外掺添加剂等措施。其中，预埋冷却水管道法是最常用、最直接有效的方法。

本文以重庆市三环线合川到长寿段龙溪嘉陵江大桥9# 墩承台施工为实例工程，研究冷却管管径、冷却管间距、冷却管通水量等因素对降低实例工程9# 墩承台混凝土温度及温度应力的作用规律，并研究设计方案冷却水管布设的合理性。

1 实例工程概况

1.1 实例工程简介

龙溪嘉陵江特大桥为重庆市三环高速合川至长寿段的控制性工程，连接了合川、北碚、渝北、长寿等大中城市，为重庆高速集团长合公司与合川区政府合建项目，投资金额为37890 万元。龙溪嘉陵江特大桥于合川区下游的龙洞沱河段跨越嘉陵江，道路等级为双向4 车道高速公路+ 双向4 车道市政路+人行道，设计速度为80 km/h（高速）、40 km/h（市政），桥梁宽度为43.5 m，跨径布置为3×30 m+4×30 m 预应力混凝土T 梁+108 m+200 m+108 m 预应力混凝土连续刚构+5×30 m+5×30 m+4×30 m 预应力混凝土T 梁，桥梁全长1053 m。下部结构主墩、过渡墩及引桥6 号墩采用实体墩，桩基础；其余引桥墩采用柱式墩，桩基础；桥台采用肋板台，桩基础。

1.2 主跨9# 墩承台设计

主桥9# 主墩采用整体基础，承台为圆端形，平面尺寸44.5 m×14.5 m×5 m，桩基采用19 根直径2.8 m 的钻孔灌注桩，按嵌岩桩设计。承台的冷却水管平、立面布设见图1。

1.3 混凝土重要参数

大体积混凝土配合比设计原则是配制出绝热温升小、抗拉强度较大、极限拉伸变形能力较大、热强比小、线胀系数小[5]，自生体积变形最好是微膨胀，至少是低收缩的混凝土。混凝土配合比按照低砂率、低坍落度、低水胶比、掺高效减水剂和高性能引气剂、高粉煤灰掺量的设计原则进行设计。

图1 嘉陵江特大桥9# 墩承台冷却水管平、立面布置图（单位：cm）

实例工程承台基础构造尺寸大，承台采用C35混凝土。对承台大体积混凝土进行温控计算，混凝土配合比见表1。

表1 9# 承台基础C35 混凝土配合比 单位：kg/m3

1.4 承台施工过程介绍

实例工程位于西部山区河流段，桥位处历年最高水位为208.500 m，最低水位为185.100 m，最大水位差为23.4 m，水深可达28～50 m，属于内河大型深水基础。为克服大水位差、大水深、年际冲淤位置变化大、夏季汛期暴雨集中等不利自然条件，创造施工环境，实例工程采用钢吊箱围堰型式。实例工程封底混凝土底标高186.70 m，厚2.5 m，采用C30 水下封底混凝土。

同时，实例工程9# 墩承台高度为5 m，承台混凝土标号为C35，浇筑总方量为996.35 m3。

1.5 监测点布置方案

实例工程监测点布置方案如下：

（1）沿竖直方向共分为上、中、下3 层，每层均布设24 个测点，每层测点布设位置均一致。

（2）所有测点均绑扎在骨架钢筋上。

（3）每个测点上布设1 个测温仪和2 个应变计。因此，实例工程共设置72 个测点、72 个测温仪和144 个应变计。

2 三维模型建立及验证

对大体积混凝土而言，混凝土开裂最主要的原因是干缩和温度应力。混凝土的凝结和硬化是水泥与水之间发生化学和物理变化的结果[3]。大体积混凝土浇筑后由于水泥水化放热作用，将经历诱导期、升温期、降温期和稳定期4 个阶段[6]，在这4 个阶段中，混凝土的体积亦随温度的升降而相应膨胀或收缩，各块混凝土体积变化受到约束时就会产生温度应力，如果该应力超过混凝土的抗裂能力，混凝土就会开裂。

为研究承台浇筑施工过程中冷却管的降温效果，以及冷却管设置参数变化对冷却效果的具体影响，本文考虑借助迈达斯软件FEA 版块建立三维有限元模型进行对比分析。

2.1 基本方程

2.1.1 绝热温升计算

水化热函数采用朱伯芳院士提出的三参数指数函数的形式[6]，绝热温升T（t）为：

式中：W 为单位体积混凝土的胶凝材料用量；Q 为单位质量水泥产生的水化热，C35 混凝土水化热为375 kJ/kg；C 为混凝土的比热容，C35 混凝土的比热容取0.90～0.95；ρ 为混凝土密度，C35 混凝土密度为2500 kg/m3；m 为浇筑混凝土系数，实例工程取0.35；t 为混凝土龄期。

经计算，实例工程混凝土的最大绝热升温值为59.76 ℃。

2.1.2 弹性模量

混凝土弹性模量E（τ）随时间τ 的增长曲线采用四参数双指数形式[7]，表达式如下：

式中：E0为混凝土初始弹性模量；E1为混凝土弹性模量增加量，即混凝土最终弹性模量与初始弹性模量之差；α、β 分别为与弹性模量增长速率相关的2个参数。

2.1.3 徐变度

根据文献[13]，混凝土徐变度C（t，τ）按照下式取值：

2.2 主要技术参数

2.2.1 混凝土物理力学参数

承台混凝土设计强度为C35，封底混凝土为C30，混凝土强度参考值按经验取值，结果见表2。

表2 混凝土物理力学性能参数值

2.2.2 模型主要计算参数

水冷管采用直径40 mm 钢管。水冷管通水时间为10 d，冷却水管流量为1 m3/h。模型中用到的计算参数还有：封底混凝土的强制温度15 ℃、混凝土入模温度25 ℃；另外，由于承台施工期间环境温度变化难以推测，根据工程建设区域施工前1年（2018年）7月份气温情况，采用正弦函数来模拟1 d 内的温度变化，其中温度最高值为40 ℃，最低值为24 ℃。模型主要计算参数见表3。

表3 模型主要计算参数表

2.3 三维模型建立

采用迈达斯软件建立三维有限元模型，并采用三维模型建立结果见图2。

图2 三维模型建立与网格划分

2.4 三维模型计算结果验证

取35# 测点（位于中层）为代表，分析实例工程在设计方案下，施工过程中温度值及应力值变化比较，比较结果见图3。

图3 实例工程计算精度对比图

经过大量实测数据分析，在2275 组实测、计算数据中（包括应变、温度），计算误差在10%以内的数据1744 组，占比为76.7%；计算误差在20%以内的数据共1899 组，占比为83.5%。可见本文数模计四边形网格划分计算区域。算结果与实例工程实测结果较为相似，能够很好地反映真实情况。

3 三维模型计算结果分析

3.1 冷却管降温效果分析

采用有冷却管、无冷却管2 种模型进行建模分析，定量判断冷却管的降温效果。经数模计算分析，承台水化热在前240 h 变化较明显，之后趋于稳定。因此本文选择50 h、140 h、220 h 作为典型时段进行分析。为更好地观察混凝土内部温度分布情况，只取承台部分区域进行展示分析，计算结果见图4。

图4 冷却管降温效果过程云图

由图4 可知：

（1）在不埋设冷却管情况下，混凝土内部温度升温迅速，降温缓慢，直到215 h 才达到最大温度（47.2 ℃）。埋设冷却管后，混凝土内部温度升温迅速，但由于冷却管作用，混凝土内部温度快速下降；在79.2 h 达到最大温度26.8 ℃，比不埋设冷却管工况提早了135.8 h，大幅减少了混凝土高温持续时期，同时最大温度也减少了20.4 ℃。埋设冷却管后，对混凝土外部温度也略有影响，但影响相对较小。

（2）埋设冷却管后，混凝土内外最大温差由28.8 ℃下降至15.2 ℃，减少了13.6 ℃，有效缓解了混凝土内外温度应力差值。

（3）配置冷水管后，混凝土内温度明显变均匀。混凝土内部，尤其是冷却管周边区域温度下降明显。

埋设与不埋冷却管的不同工况下，冷却管降温效果对比统计见表4、图5。

表4 冷却管降温效果对比统计

图5 冷却管降温效果统计对比图

以140 h 为代表，有冷却管、无冷却管2 种模型下的承台混凝土最大应力云图见图6；2 种模型下的承台混凝土最大主应力变化过程见图7。分析可知：

（1）设置冷却水管前，实例工程最大应力达到2.39 MPa，远大于C35 混凝土最大拉应力1.52 MPa的临界要求，且在浇筑后220 h 时还呈缓慢增大趋势，如此将持续造成承台混凝土开裂。

（2）设置冷却水管后，由于冷却管有效减小了混凝土内部温度，从而大幅减小了混凝土内部应力。在图7 工况下，混凝土内部最大应力由2.39 MPa 减小为0.66 MPa，远小于1.52 MPa 的临界要求。

3.2 冷却水流量影响

维持冷却水管管径为40 mm 不变，设置通水量分别为0.5 m3/h、1.0 m3/h、1.5 m3/h、2.0 m3/h 的4 组对比方案。取模型中间点为研究对象，在不同冷却水流量下，研究该点温度变化过程，见图8。由图8 可知：

图6 混凝土浇筑140 h 时最大应力云图分布情况

图7 混凝土最大应力变化过程

（1）冷却水管流量越大，冷却效果越好。在4 种流量工况下，最大温度分别为27.3 ℃、26.8 ℃、26.5 ℃、26.3 ℃。

（2）在升温阶段（0～90 h），混凝土内部水化热上升迅速，增大冷却水管流量对实例工程最大温度影响十分微弱。在降温阶段（90～220 h），增大冷却水管流量可以略微降低温度，但是降低幅度十分有限。当通水量由0.5 m3/h 增大至2.0 m3/h 时，流量增大了1.5 m3/h，增大了4 倍，但是最大温度仅下降了1℃。

（3）综合来看，冷却水流量的增加对整体降温效果作用有限，且增大冷却水流量对水泵等机械设备要求较高，耗材增加大，性价比较低。因此，建议实例工程仍维持1.0 m3/h 的设计流量。

图8 不同冷却水流量下温度变化过程

3.3 管径影响

维持冷却水通水量为1.0 m3/h，设置管径分别为35 mm、40 mm、45 mm、50 mm 的4 组对比方案。仍取模型中间点为研究对象，在不同管径下，研究该点温度变化过程，见图9。由图9 可知：

（1）4 组工况下，最大温度分别为26.9 ℃、26.8 ℃、26.7 ℃、26.7 ℃。可见增大管径，对实例工程温度下降有微弱作用。同时，在降温阶段（90～220 h），增加管径对混凝土温度的降低作用略大于升温阶段（0～90 h）。

（2）考虑到管径增大对降低混凝土温度作用影响较小，且预埋冷却水管道管径过大对施工要求较高，存在施工风险，因此建议维持40 mm 管径方案。

图9 不同管径下温度变化过程

3.4 管道竖向间距影响

经论证，在保证工程结构稳定性和施工可行性前提下，实例工程冷却水管的最小竖向间距为1.0 m。维持冷却水通水量为1.0 m3/h，管径为35 mm，分别设置冷却水管间距为1.0 m、1.5 m、2.0 m、3.0 m 的4 组对比方案，取模型中间点为研究对象，在不同管道间距下，研究该点温度变化过程，见图10。由图10可知：

（1）4 组工况下，最大温度分别为26.8 ℃、33.7 ℃、37.1 ℃、42.7 ℃，最大温度出现时间依次为70.1 h、88.4 h、93.6 h 和122.2 h。可见管道竖向间距能显著降低混凝土内部温度，同时能减小混凝土升温时间。

（2）合理减小管道间距能有效降低混凝土水化热温度，小间距的冷却水管道布设降温优势明显。设计方案中已经采用了最小竖向间距，布设合理。

图10 不同管道间距下温度变化过程

3.5 推荐方案与规范符合性分析

经上述分析，认为设计方案（采用埋设冷却水管方案，水冷管采用直径40 mm 钢管；水冷管通水时间为10 d，冷却水管流量为1 m3/h，竖向间距设为1.0 m）即为最优推荐方案。推荐方案计算结果符合《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）要求，分析过程如下：

（1）最大应力。设置冷却水管后，由于冷却管有效减小了混凝土内部温度，从而大幅减小了混凝土内部应力，最大应力由2.39 MPa 减小为0.66 MPa，满足规范中小于1.52 MPa 的临界要求。

（2）混凝土裂缝比率（法向）。法向裂缝比率= 输出容许应力/ 产生应力，在保证通水的情况下裂缝比率最小值应大于1.0。经计算，实例工程在220 h时，承台混凝土法向裂缝比率最小值为5.0，满足要求。

混凝土法向裂缝比率分布云图见图11。

图11 承台混凝土法向裂缝比率分布云图

4 结 语

（1）配置冷水管后，混凝土内温度明显变均匀，降温效果明显，混凝土内外最大温差由28.8 ℃下降至15.2 ℃，减少了13.6 ℃；最大应力由2.39 MPa下降至0.66 MPa。

（2）冷却水通过量和管径增大对混凝土温度下降作用十分微弱，且管径增大会影响混凝土结构整体性。

（3）减小管道竖向间距可以有效降低混凝土温度，小间距的冷水管竖向布设降温效果明显，在工程造价、设备性能允许且保证混凝土整体稳定性的前提下，应尽可能减小管道竖向间距。

（4）经研究，设计方案的排水管布设为最优方案。在设计工况下，混凝土内部最大温度为26.8 ℃，最大应力为0.66 MPa（满足小于1.52 MPa 的规范要求），且混凝土法向裂缝比率均大于5.0（满足规范大于1.0 的要求），说明设计方案合理、可行。