承台及桥墩大体积混凝土温度与应力场控制研究

刘江明， 王伟男， 乔 阳， 董丽娜

(1.河北省公路安全感知与监测重点实验室，河北 石家庄 050000；2.中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 100000；3.河北省道路结构与材料工程技术研究中心，河北 石家庄 050000；4.河北交规院瑞志交通技术咨询有限公司，河北 石家庄 050000)

近年来，随着桥梁跨度的不断加大，承台的尺寸也逐渐增大，使大体积混凝土温度及裂缝控制工作越来越重要。温度应力引起的裂缝具有裂缝宽、上下贯通的特点[1]。为了有效的抑制承台及桥墩混凝土的开裂，提高大体积混凝土的耐久性，研究大体积混凝土浇筑后温度场及应力场的变化规律，并采取措施防止混凝土早期的温度裂缝产生是必要的。

1 工程概况及建立有限元模型

1.1 工程概况

廊涿城际铁路某桥梁承台采用C30混凝土，为整体式钢筋混凝土双层结构，一层承台尺寸为23.8 m×18.6 m×4.0 m，二层承台尺寸为17.0 m×11.1 m×2.5 m。桥墩采用C45混凝土，桥墩尺寸为11.2 m×4.5 m×8.0 m。

1.2 有限元模型的建立

运用Midas FEA有限元分析软件，考虑混凝土收缩徐变的材料特性、环境温度、热源函数以及热对流系数，通过实体单元建立了承台及桥墩的四分之一模型。

1.2.1 相关函数及参数的确定

(1)环境温度函数：固体的表面与它周围接触的流体之间，由于温差的存在会引起热量的交换，这种热量交换称为热对流，可以用牛顿冷却方程来描述：Q=β(Ts-TB)。式中：β为对流换热系数[W/(m2·℃)]；Ts为固体表面的温度(℃)；TB为周围流体的温度(℃)。

严格来讲环境温度是随时间变化的，应定义为时间的函数。本工程位于河北省廊坊市固安县，属于温带季风气候，夏季平均气温26.2 ℃，故环境温度近似取为25 ℃。

(2)对流换热函数：对流边界面上对流系数的变化，对流边界面指混凝土表面、施工缝表面等。当混凝土表面裸露时，可以采用经验公式计算；当混凝土表面有模板或保温层时，采用混凝土表面模板或保温层的传热系数β来等效对流换热系数[2-3]：

(1)

式中：β为传热系数[W/(m2·℃) ]；βq为空气层的传热系数，取23 W/(m2·℃)；δi为各保温层材料厚度(m)；λi为各保温层材料导热系数[W/(m·℃)]。

根据混凝土浇筑模板类型及养生情况，算得侧面对流换热系数为22.82 W/(m2·℃)，顶面对流换热系数为10.9 W/(m2·℃)。

(3)热源函数：描述的是混凝土水化过程的放热状态，热源函数由水泥种类和水泥单位体积使用量决定[3]。热源函数：F(t)=K×(1-e-at)。式中：K为混凝土最大绝热温升(℃)；e为常数，取2.718；t为混凝土的龄期(d)；a为系数，随浇筑温度而改变。

根据实际工程中使用的混凝土配合比，本文采用单位体积混凝土中水泥用量来定义热源函数，水泥类型为低热硅酸盐水泥，浇筑温度取20 ℃，将数据输入软件，自动生成热源函数进行计算。

1.2.2 冷却管布置

在大体积混凝土中设置冷却管循环能有效降低水化热温度[4]。根据混凝土内部温度场分布规律，承台共埋设3层冷却水管，每层间距在承台高度方向均匀分布，每层水管采用并联方式以提高热交换效率，冷却水管内径40 mm、壁厚3.5 mm，采用丝扣进行连接，且保证单根冷却水管长度不超过200 m；桥墩共埋设10组冷却水管，每组水管采用并联方式，水平间距为1 m，向下深入桥墩至距底部1 m。承台及桥墩冷却管布置如图1所示。

图1 冷却管布置

2 混凝土施工方案参数化分析

承台及桥墩采用的混凝土配合比均为实验室设计确定，因此混凝土的热源函数是固定的，故考虑不同的保温条件以及不同的冷却管通水方案对温度场和应力场的影响，进而确定最优的保温条件和最佳的通水方案。

2.1 不同保温条件下

在混凝土浇筑完成后，应对混凝土裸露表面进行保温养生。本文选取3种常用的不同保温方式，即塑料薄膜覆盖、草垫覆盖和混凝土保温被覆盖，对应三种不同传热系数β，根据式(1)计算分别为β1=27.3 W/(m2·℃)、β2=16.7 W/(m2·℃)和β3=13.0 W/(m2·℃)。通过模拟三种不同传热系数下混凝土的温度场，获得最适宜工程现场实际的保温条件。通过Midas FEA有限元分析软件，算得三种不同传热系数下的最高温度及浇筑后达到最高温度的时间如表1所示。

表1 三种传热系数最高温度及其出现时间

由表1可知，传热系数越大，最高温度越低，但相差较小，对于最高温度出现的时间无影响。这是由于传热系数大，在环境温度不变的情况下水泥水化过程中产生的热量能够更快的散发，从而使最高温度降低。但在工程实际中，为避免温度裂缝的产生，应对混凝土表面采取适当的保温措施，使混凝土内表温差较小，温度场分布的更加均匀，从而混凝土由于温差产生的应力较小，避免混凝土表面开裂。根据表1中数据，采用混凝土保温被覆盖的传热系数最小，最有利于大体积混凝土的保温，故采用混凝土保温被覆盖的保温方式，抑制混凝土内部产生的热量向外界环境散发。

2.2 不同通水方式下

在大体积混凝土施工中，仅对混凝土表面进行保温是不够的，还需要对大体积混凝土内部进行降温，通过“内降外保”的措施，达到抑制混凝土温度裂缝开展的目的。根据施工现场实际情况，拟定三种通水方案：方案一，流入温度20 ℃，流量1.5 m3/h；方案二，流入温度25 ℃，流量1.5 m3/h；方案三，流入温度20 ℃，流量2.0 m3/h。不同方案混凝土芯部最高温度对比如图2所示。

图2 温度场分布

由图2可知，方案一的冷却效果较好，温度最低。这是由于流入温度越高，冷却水与混凝土之间的温差就越小，从而混凝土与冷却水管的热交换越慢；冷却水的流速越快，在冷却水通入混凝土之后不能充分进行热交换就过早流出。因此，采用方案一进行通水降温。

3 温度场理论值与实测值分析

3.1 理论值

根据《大体积混凝土施工标准》(GB 50496-2018)，混凝土浇筑体在入模温度基础上的温升值不宜大于50 ℃，混凝土浇筑体里表温差(不含混凝土收缩当量温度)不宜大于25 ℃。本文混凝土入模温度取25 ℃，根据规范，混凝土浇筑体的最高温度不宜大于75 ℃。

对承台及桥墩大体积混凝土四分之一整体进行仿真分析，承台及桥墩温度达到峰值时的温度场分布如图3所示。

图3 温度场分布

由水化热分析结果可知，一层承台最高温度54.8 ℃，二层承台最高温度49.6 ℃，桥墩最高温度55.5 ℃，混凝土浇筑体在入模温度基础上的温升值均满足规范规定的小于50 ℃的要求。

3.2 实测值

本次监测采用由长沙金码高科技实业有限公司生产的JMZX-3001综合测试仪和JMZX-215HAT智能弦式应变传感器。为了保证测温点所测的温度曲线能全面反映混凝土结构内部温度的变化情况，本工程在一层及二层承台沿竖向均匀布置3个测温平面，每个测温平面分别布置9个、3个、9个测温点，保证承台芯部以及表面的温度及应力监测；墩身沿高度方向布置3个测温平面，每个测温平面分别布置1个、3个、1个测温点，传感器均布置在宽度中心线上，共布置5个传感器。

将承台及桥墩温度的理论值与实测值绘成曲线进行对比，如图4所示。

图4 温度理论值与实测值对比

分析温度曲线，大体积混凝土浇筑后温度都经历了先上升后下降的过程，在浇筑后第70 h左右温度升至最大值，最大值均略小于理论值；在浇筑后第150 h温度趋于稳定。在浇筑初期和降温段实测值低于理论值，在温度峰值时实测结果与理论分析结果接近，说明采用Midas FEA模拟大体积混凝土温度场较为精确可靠。

4 应力场理论值与温度裂缝指数分析

对承台及桥墩四分之一整体进行应力场仿真分析，结果如图5所示。

图5 应力场分布

由应力场分析结果可知，一层承台最大应力为2.54 MPa，二层承台最大应力为2.55 MPa，桥墩最大应力为3.67 MPa，均略大于各自混凝土的抗拉强度。因此，需对承台及桥墩进行裂缝分析。

我国《大体积混凝土施工标准》(GB 50496-2018)中通过引入防裂安全系数K值取1.15，规定了混凝土抗拉强度标准值不小于混凝土产生拉应力的K倍；而在《公路桥涵施工技术规程》(JTG/T 3650-2020)中缺少对大体积混凝土关于温度裂缝分析的规定。通过Midas FEA有限元分析软件，参考《韩国混凝土结构设计标准》，使用温度裂缝指数i值预测混凝土裂缝发生的概率：i=fc/fT。式中：i为温度裂缝指数；fc为混凝土抗拉强度；fT为发生的温度应力。

当防止裂缝发生时，i值应大于1.5；当限制裂缝发生时，i值应大于1.2且小于1.5；当限制有害裂缝发生时，i值应大于0.7且小于1.2。温度裂缝指数在不同浇筑阶段的最大值如图6所示。

图6 温度裂缝指数

温度裂缝指数越小，混凝土越容易开裂。在浇筑二层承台后，由于受到一层承台的约束，使得二层承台的侧面与一层承台相接处以及顶部裂缝易发展。在浇筑桥墩后，桥墩与二层承台相接处小范围内温度裂缝指数很小。通过工程实际现场观察，承台及桥墩均未发现裂缝产生，这是由于在承台四周表面布置了小直径、密间距的构造钢筋网，二层承台的竖向钢筋插入了一层承台，桥墩的竖向钢筋插入了二层承台，限制了温度裂缝的发展。

5 结论

(1)采用不同的保温方案和冷却管通水方案对混凝土硬化过程的温度场和应力场有较大的影响；冷却水流入温度为20 ℃、流量为1.5 m3/h，表面采用混凝土保温被覆盖的保温方式为最优方案，能够满足规范要求。

(2)经过现场实测，在浇筑初期和降温段实测值略低于理论值，在温度峰值时实测结果与理论分析结果接近。经过理论值与实测值的对比，采用Midas FEA模拟大体积混凝土温度场与实测值吻合较好。

(3)在浇筑二层承台后，二层承台的侧面与一层承台相接处以及顶部裂缝易发展；在浇筑桥墩混凝土后，桥墩与二层承台相接处小范围内温度裂缝指数很小，这些位置需配置小直径、密间距的构造钢筋网来防止温度裂缝的产生。