悬索桥主塔承台大体积混凝土水化热分析

代美洪 盛琪根

(重庆交通大学土木工程学院 重庆 400074)

大量研究表明，大体积混凝土结构的裂缝基本都是由于温度、收缩与徐变引起的，很少是因外荷载造成[1]。大体积混凝土结构在浇筑后几天(一般3～5 d内)内部温度急剧升高而与表面产生过大温差，表层混凝土约束内部混凝土膨胀而产生拉应力；待混凝土达到最高温度后，随着混凝土内部热量的散失，混凝土温度逐渐下降直至稳定，在此过程中混凝土体积发生收缩，此时基础底部附近混凝土会约束混凝土收缩而产生拉应力，当拉应力超过材料的抗拉强度时会产生贯穿裂缝[2]。

在冬季施工大体积混凝土时，若直接采用大气温度下的水进行冷却，冷却管附近混凝土与无冷却管混凝土间会形成较大的温度梯度，而且在降温阶段冷却管附近混凝土降温速率远大于其他部位的降温速率，在这种情况下极易使得冷却管附近混凝土产生裂缝，这些裂缝的产生和发展将影响到结构的整体性和耐久性。因此，在大体积混凝土施工中如何把控进水温度对结构整体温度的影响也是技术人员关心和研究的问题[3]。

通常情况下，有限元软件对大体积混凝土结构的“温度-应力”分析非常耗时，采用先不计算混凝土的应力变化，只计算混凝土温度变化情况，在温度满足要求的情况下再进行应力计算的计算方案，会在一定程度上缩短计算时间。

本文通过数值模拟方式对冷却管不同进水温度工况下冷却管附近混凝土温度、混凝土最大温度峰值及冷却管附近混凝土降温速率进行计算，从而选择最佳冷却管进水温度，在此冷却管进水温度下，计算承台混凝土的“应力-允许应力”时程曲线。在应力计算结果中，保证应力时程曲线皆在允许应力时程曲线范围内时，承台结构便不会出现有害裂缝。在避免大体积混凝土结构出现裂缝的方式中，用冷却管降低大体积混凝土水化热是有效方式之一，而采用合适的冷却管进水水温是冷却管降低水化热的关键。

1 工程概况

重庆长江大桥是重庆六纵线跨长江的节点工程，桥梁全长1 403.8 m，主桥采用单孔悬吊双塔三跨连续钢桁梁悬索桥，主桥桥跨布置为75 m+720 m+75 m，主桥跨径870 m。大桥P5主塔基础采用承台下接钻孔灌注桩形式，承台总长69.6 m，承台厚6 m，承台俯视图见图1。

图1 承台俯视图(单位：cm)

为防止浇筑过程中，因水化热释放温度过高导致混凝土开裂，采用分层浇筑方式，每层浇筑高度为3 m，横桥向中部预留2 m宽后浇带。

2 混凝土热力学参数计算

2.1 热力学参数的确定

承台采用混凝土标号为C40，其配合比见表1。

表1 C40混凝土配合比

胶凝材料水化热总量根据GB 50496-2018《大体积混凝土施工标准》[4]中式(1)进行计算。

Q=kQ0

(1)

式中：Q为胶凝材料水化热总量，kJ/kg；Q0为胶凝材料水化热总量，kJ/kg；k为不同掺量掺合料水化热调整系数，当采用粉煤灰与矿渣粉双掺时，不同掺量掺合料水化热调整系数可按式(2)计算。

k=k1+k2

(2)

式中：k1为粉煤灰掺量对应的水化热调整系数；k2为矿渣粉掺量对应水化热调整系数。

2.2 混凝土绝热温升计算

在绝热环境下，大体积混凝土浇筑后其温度会持续上升，其温度变化按式(3)计算。

(3)

式中：T(t)为混凝土龄期为t时的绝热温升，℃；W为混凝土的胶凝材料用量，kg/m3；c为混凝土的比热容，kJ/(kg·℃)；ρ为混凝土的质量密度，kg/m3；m为与水泥品种、用量和入模温度等有关的单方胶凝材料对应系数；t为混凝土龄期，d。

3 有限元温控分析

采用midas FEA有限元实体软件进行分析， 由于承台结构对称，建模选取下游1/2承台进行分析[5]，为了更好地反映承台浇筑后温度变化，此次建模还包含部分地基模型(见图2)，地基底部施加固结约束与强制温度，由于承台浇筑时留有后现浇带，所以边界中无对称边界，均为对流边界[6]。

图2 承台有限元模型(含冷却管)

3.1 模型计算参数确定

模型的计算结果要有准确性，其模型的参数确定是重中之重，本次模型参数取值将结合施工现场与GB 50496-2018 《大体积混凝土施工标准》确定。

P5承台浇筑施工正值12月份-次年1月份，大气温度按照正弦函数取值，大气平均温度取10 ℃、温度变化幅度为5 ℃；地基土的温度按20 ℃计算，参数见表2。

表2 计算模型参数表

3.2 冷却管布设

此次承台首层浇筑高度为3 m，大于混凝土临界浇筑厚度2 m，必须采用温控措施[7]。承台大体积混凝土施工采用直径×壁厚=50 mm×3.25 mm黑铁管输水冷却，流量为2.2 m3/h，对流系数为1 094 kJ/(m2·h·℃)，承台施工时布设6层冷却管，冷却管水平间距1.2 m，冷却管分别位于距每层顶面和底面50 cm处，层距1 m，偶数层与奇数层交替布置，冷却管布置方式见图3。

图3 冷却管平面布置图

3.3 冷却管进水温度确定

由于承台施工时平均气温低，为保证承台施工质量，先采用有限元软件模拟冷却管在不同进水温度工况下承台的最大温升值及降温速率，从而确定冷却管的最佳进水温度，避免实际工程中因进水温度变化而导致实际结构水化热与计算温度吻合程度差、水化热难控制等问题。

在10，20，30，32，35，40 ℃进水温度工况下，分别得出冷却管附近混凝土温度、混凝土最大温度峰值及混凝土降温速率，见表3。

表3 不同进水温度对混凝土温度的影响

由表3可见，冷却管进水口温度越低，其附近混凝土温度与最大温度的差值就越大，形成更大的温度梯度，虽然能降低混凝土的最大升温值，但冷却管附近温度降得更低；同时在降温阶段不同的水温对降温速率影响很大，通过模型分析结果来看，此次承台浇筑冷却管进水温度采取32 ℃能够满足要求。

3.4 有限元结果提取

3.4.1温度结果分析

取承台第一次浇筑后为例进行分析，首层浇筑温度云图见图4。由图4可见，经过模型计算得出首层承台在浇筑后48～54 h时温度达到峰值，最大温度位于承台中心位置以上0.5 m，最大温度值为65.1 ℃，而承台的中心位置布设有冷却管，其最大温度为56 ℃，相比于中上无冷却管层最大温升值低了9.1 ℃，且中间有冷却管位置到达最大温度的时间相较于无冷却管层位置延迟了10～12 h，结果表明，冷却管不仅可以直接通过热量交换来降温，而且还可以减缓胶凝材料的反应速率。

图4 首层浇筑温度云图(单位：℃)

取承台底层以上50 mm中心节点(N:2990)、中间层中心节点(N:10112)、中上层(中间层上0.5 m处)中心位置节点(N:12911)及表层以下50 mm中心节点(N:17052)作为特征点进行研究，提取各特征点温度时程图见图5。

图5 各特征点温度时程图

由图5可见，第一层浇筑承台的中间层位置布设有冷却管，所以中间层中心位置的最高温度比其上0.5 m处低了9 ℃，可以看出冷却管对于控制混凝土的最大温升有着明显的效果。N:10112节点由于在冷却管附近，相较于N:12911节点的温升速率较缓，在降温段，其降温速率也相对缓和一些，从结果来看，大体积混凝土在温升过程中，在散热条件好的情况下，其达到最高温度时间会延迟，而相对于表层与冷却管附近，中上层中心和底层中心散热较差，其温升峰值会更早到来，其温度随时间的变化也更剧烈，这对大体积混凝土的温度控制是不利的，所以布设冷却管在温升阶段会降低水化热的最大温升峰值，同时在降温阶段还能防止混凝土降温速率过快。

3.4.2应力结果分析

在大体积混凝土施工期间，容易产生自约束裂缝和外约束裂缝，为了保证大体积混凝土的施工质量，必须对混凝土的应力进行分析，分别对节点(N:2990)、(N:10112)、(N:12911)及(N:17052)特征点进行“应力-允许应力”分析，其分析结果见图6。

图6 特征节点应力-允许应力时程图

由图6可以看出，底层位置的特征点(N:2990)在6.5 d后应力开始增长，此时底层混凝土温度下降到32 ℃左右，在后续的降温过程中，由于基底混凝体受到基底的约束而产生拉应力，在14 d后其拉应力未超过1.5 MPa，从其应力的趋势来看，不会超过允许拉应力；中层位置节点处(N:10112)浇筑后4 d左右由于冷却管的降温作用，冷管附近混凝土降温较快，产生拉应力，但未超出允许拉应力范围，在4 d后，温降速率变缓，拉应力开始减小；中上层节点(N:12911)位于最大温升层，混凝土在升温期受到压应力，后续的降温阶段拉应力也很小，表层特征节点(N:17052)处由于受到外界环境的影响较大，其应力一直处于受拉状态，但是拉应力均在允许应力范围内，从各层应力特征点的“应力-允许应力”时程图结果来看，承台在浇筑及冷却过程中不会出现因温度梯度太大而出现拉裂的情况。

4 现场实测

4.1 传感器布置

选取下游1/2承台进行分析，实测布置11个测区，每层混凝土浇筑时每个测区布置4个传感器，依次为混凝土底层、中层、中上及表层部位，其中底层测点距混凝土底面以上50 mm处，最外侧传感器与结构外缘保证50 mm厚度，表层测点布置在混凝土表层以下50 mm处，具体布置见图7。

图7 温度传感器布置图(单位：cm)

4.2 现场实测结果

由于篇幅原因，本文只取3个代表测区进行分析，分别为承台边缘1号测区、中心4号测区及现浇带位置11号测区，其结果见图8。

图8 各测区实测-计算温度对比图

从实测数据来看，最大温度出现在中心4号测区的中上层测点，最大温度为64.9 ℃，最大温度出现时间为浇筑开始后78 h，减去施工时间32 h，最高温度实测值出现在浇筑后46 h，与计算值基本符合。4号测区底层、中层及中上层与计算值吻合均较好，表层实测数据略低于计算值。

1号测区与11号测区位于承台边缘，受外界环境影响较大，实测值与计算值的吻合程度相对差一些。

5 结论

1) 此次承台采用直径×壁厚为50 mm×3.25 mm黑铁管输水冷却，流量为2.2 m3/h，进水温度控制为32 ℃，奇偶数层冷却管交替布置，浇筑后中心区域冷却管附近温度比最高温度低8～9 ℃，承台浇筑后无有害裂缝发生，表明此种冷却管布置方式能有效控制混凝土的水化热。

2) 冷却管附近到达最大温升的时间相比于无冷却管地方混凝土到达最大温升时间延迟10～12 h，可见混凝土温度越高时其反应越快，冷却管不仅能降低混凝土水化热温度峰值，还能延缓最大温升峰值到来时间，这对大体积混凝土温控是有利的。

3) 大体积混凝土在冬季施工时，循环用水箱应有加热装置及保温功能，冷却管进水温度应进行预热处理，采用温水去冷却混凝土，避免低温冷水导致冷却管附近混凝土降温过快形成较大的温度梯度，从而产生裂缝。

4) 在冬季施工浇筑大体积混凝土时，可在浇筑完成后24 h进行表层保温措施，在表面覆盖土工布或用冷却管循环水进行保温，防止表层温度过早开始降温与降温过快，当江边风速较大时，须在承台迎风面设挡风措施。