冬季施工桥梁承台大体积混凝土水化热分析

苗 雷，魏进才，刘 毅，朱亚冲，崔凤坤

(1.中建八局第二建设有限公司，山东 济南 250022；2.山东交通学院 交通土建工程学院，山东 济南 250357)

1 工程概况

宁阳至梁山段高速是山东省“九纵五横一环七连”高速公路网中“横四”的关键部分，本项目与京九铁路交叉处京九铁路下行线里程为K502+323.0，交叉角度75.8°，为了减小桥梁施工对既有铁路线路的影响，跨京九铁路立交桥采用平面转体施工工艺，转体角度为85.3°。主墩(49#桥墩)为矩形空心墩，墩高15.5 m，壁厚1.5 m，横桥向宽度13.7 m，纵桥向宽度6.0 m。承台为台阶式，分上、下两层。上承台高4.6 m，顺桥向长14.6 m，横桥向宽14.6 m。下承台为矩形，与铁路平行布置，顺铁路方向宽21.5 m，垂直铁路方向长25.3 m，高5.0 m。

下承台混凝土设计强度等级为C50，浇筑量2 515 m3，为典型大体积混凝土施工。为了降低水化热影响，下承台分两层浇筑，第一层浇筑高度为3.9 m，第二层浇筑高度为1.1 m。下承台施工期为2020年1月，此时梁山地区已进入冬季施工季节。

2 承台有限元分析模型

2.1 模型建立

以下承台为例，利用MIDAS FEA有限元分析软件，根据下承台实际尺寸建立承台施工过程仿真分析模型，依据对称性原则，取上承台1/4部分建立模型，如图1所示。为了提高分析效率和精度，结构整体采用高阶六面体单元。模型共划分为16 379个节点和16 962个单元。

图1 下承台有限元分析模型

2.2 边界条件

(1)位移边界条件

通过浇筑混凝土将下承台与桩基础连接成为整体，因此二者之间应设为固定约束；由于仅取上承台1/4部分建立模型，因此在下承台对称分割面上施加对称约束。

(2)温度边界条件

模型建立时不考虑桩基与下承台热传递作用，故下承台底部可取为强制温度(第一类边界条件)；下承台外侧面及上表面与空气接触，在混凝土浇筑前后，与空气进行热交换，为对流边界(第三类边界条件)，计算公式见公式(1)。

(1)

式中：β为导热物体表面放热系数；Tα为空气温度；S为日辐射强度；αs为结构表面辐射热量吸收系数；n为导热物体表面外法线方向。

2.3 环境及材料参数

根据GB 50496-2018《大体积混凝土施工规范》计算得出下承台有限元模型中相关参数，部分参数见表1所示。

表1 环境及材料参数

3 模型数值分析

3.1 承台温度场

下承台在无管冷系统的情况下，核心、侧表面温度经时变化曲线如图2所示，核心温度约在115 h时达到温度峰值68.6 ℃；侧表面温度在50 h左右达到温度峰值42.8 ℃。达到温度峰值后，核心及侧表面温度开始下降，核心、侧表面温度降温速率分别为1.17 ℃/d、2.50 ℃/d。入模温度为8 ℃时，承台核心、侧表面位置最大温升值分别为60.6 ℃和34.8 ℃。

图2 无管冷系统时核心、侧表面温度经时变化曲线

从混凝土浇筑开始到温度达到峰值前，里表温差随时间变化逐渐增大，190 h时里表温差达到最大值37.4 ℃，已超过规范规定的里表温差最大值25 ℃，如图3所示。

图3 无管冷系统时里表温差经时变化曲线

由图2、图3可知，冬季施工时环境温度低，承台侧表面会快速与空气进行热交换，侧表面温度降温速率约为核心温度降温速率的2.1倍；混凝土急剧升温后，承台侧表面达到的温度峰值比核心处低，且峰值持续时间很短，并很快进入降温阶段。因此，承台表面需采取充分的保温措施来减小里表温差。

3.2 设管冷系统承台温度场

现场实际管冷系统采用φ38×3.5 mm的薄壁钢管，利用丝扣套筒将水管接头处连接，管冷系统使用S形管路布置，水平管间距1.2 m，距离四周边缘0.63 m；垂直方向共设置三层，层间距2 m，上、下层管冷系统距下承台上、下表面0.5 m。通过MIDAS FEA模拟管冷系统布置，设入口温度5 ℃，流量2 m3/h，提取温度经时变化曲线并分析。

下承台设置管冷系统时，核心温度在约85 h时达到温度峰值64.2 ℃；侧表面温度在约50 h时达到温度峰值42.4 ℃。达到温度峰值后核心及侧表面温度开始下降，降温速率分别为3.79 ℃/d、4.37 ℃/d。核心、侧表面温度在入模温度8 ℃基础上对应最大温升值为56.2 ℃和34.4 ℃，如图4所示。

图4 有管冷系统时核心、侧表面温度经时变化曲线

混凝土浇筑后，里表温差逐渐增大，在130 h时里表温差达到最大值30.3 ℃，超过规范规定的里表温差最大值25 ℃，如图5所示。

图5 有管冷系统时里表温差经时变化曲线

4 有无管冷系统的温度场对比分析

为了分析管冷系统的设置对承台温度分布规律的影响，将有无管冷系统的温度经时变化曲线绘制于如图6所示。

图6 有无管冷系统温度经时变化曲线

未布设管冷系统时，由于大体积混凝土产生大量水化热，混凝土内部温度急剧升温，仅靠自身与外界的热交换进行降温，降温速率与里表温差均不符合规范要求。

布设管冷系统时，核心、侧表面温度峰值均有所降低，且达到温度峰值所用时长缩短；核心、侧表面温度降温速率均有所提高，说明管冷系统有较好的降温效果。但承台侧表面降温速率仍大于规范规定值2 ℃/d，核心温度最大温升值也大于规范规定值50 ℃。

(3)无论是否设置管冷系统，里表温差值随时间变化的的趋势均是逐渐增大，且里表温差最大值均大于规范规定值25 ℃。

综上，冬季桥梁承台大体积混凝土施工会释放大量的水化热，为保证降温速率和里表温差满足规范要求，应采取有效的温控措施来减小大体积混凝土温度梯度。

5 冬季施工温控措施

(1)熟料中含硅酸三钙和铝酸酸钙较少的水泥，能够减少大体积混凝土的水泥水化热量，从而减小温度梯度。故应当选用中热硅酸盐水泥、粉煤灰水泥和低热矿渣水泥。

(2)由于中粗砂比表面积小、孔隙率小，且能够减少混凝土水泥用量，降低水化热反应程度，因此，应选用集配良好的中粗砂作为大体积混凝土细骨料。

(3)减水剂能减少拌和用水量，降低水灰比，改善和易性；缓凝剂能够延长混凝土从塑性状态向固体状态转化时间；膨胀剂使混凝土水化过程中体积膨胀等。所以，在保证混凝土力学性能的前提下，可在施工过程中添加适量掺加剂。

(4)保温玻璃棉具有良好的保温效果。大体积混凝土浇筑之前，在模板外侧贴一层5 cm厚的保温玻璃棉，待浇筑后，在承台顶面覆盖一层塑料薄膜，然后在塑料薄膜上覆盖一层5 cm厚的保温玻璃棉。另外，在承台周围模板与保温棉之间、承台顶部与保温棉之间布设蒸汽通道，对浇筑后混凝土进一步养护，养护时间控制在14 d左右。

6 结 语

依托宁梁高速跨京九铁路立交桥项目，研究管冷系统的设置对冬季施工桥梁承台大体积混凝土温度场分布规律的影响。分析结果表明：仅依靠布设管冷系统不能满足大体积混凝土承台的施工技术规范要求，因此，对冬季桥梁承台大体积混凝土的施工采取专项的温控措施。