山区悬索桥索塔承台大体积混凝土温控研究

何 立，赵圆圆，伏冠西，冉师齐

(四川路桥华东建设有限责任公司，成都 610000)

随着桥梁技术的不断突破，我国正由桥梁大国逐步迈进桥梁强国行列，世界上的“最长、最高、最大”纪录不断被中国桥梁工程师所改写.在这些桥梁工程中，大体积混凝土结构发挥着重要的作用.大体积混凝土结构在浇筑过程中水泥水化放热，使结构内部温度逐渐升高，而结构表面温度相对较低，这种过大内表温差将导致表面裂缝产生，进而影响结构的耐久性及安全性[1-3].为此，国内外学者对大体积混凝土温控进行了相关的研究.文献[4-6]主要研究了混凝土配合比、浇筑温度及冷却水对大体积混凝土温控的影响；文献[7-9]从理论上推导了热传导等效方程，构建了数学计算模型并开发了大体积混凝土温度场仿真计算程序；文献[10]主要研究了海洋环境对大体积混凝土水化热的影响规律；文献[11]对侧面被岩土包围的隧道锚塞体的温度场特点进行了研究.然而，目前针对山区峡谷复杂风场环境下大体积混凝土的温控研究鲜有报道.鉴于此，本文以山区悬索桥索塔承台施工为背景，采用有限元仿真计算并结合现场实测数据，对山区复杂风场下大体积混凝土的温度效应进行了研究，以期为同类工程施工提供参考.

1 工程概况

川滇金沙江特大桥主桥为1 060 m 双塔单跨钢桁梁悬索桥.该桥位于山区“V”型峡谷地带，大风出现频率高，风场紊乱.截至目前，现场实测最高风速达到了33 m/s，极具破坏力.

索塔基础采用桩基承台形式，单个承台平面尺寸为25.5 m×25.5 m，高7 m.为改善承台顶面塔柱底局部受力以及加强景观效果，在塔柱与承台间设置棱台形塔座，塔座高2 m，且承台间设置承台系梁.索塔承台平面布置见图1.承台和系梁混凝土均为C40，在距承台的顶面50 cm 范围内的混凝土拌合物中掺入0.9 kg/m3的聚丙烯单丝纤维；塔座混凝土为C50，在混凝土拌合物中掺入0.9 kg/m3的聚丙烯单丝纤维及2.7 kg/m3聚丙烯粗纤维(仿钢纤维).

图1 索塔承台平面布置/cm

2 承台温控措施

2.1 混凝土性能指标

索塔承台混凝土经工地实验室验证后，混凝土的各项参数均满足设计要求，其配合比如表1所示.结合现场环境，混凝土入模温度取20 ℃，由表1 配合比对混凝土物理热学参数进行取值计算，结果见表2.

表1 塔座和承台混凝土配合比 kg/m3

表2 大体积混凝土物理热学参数

2.2 浇筑总体思路

两岸承台结构尺寸基本一致，单个承台混凝土总方量为4 551.75 m3，具有体积大、混凝土标号高、水化热效应显著等特点.为了对混凝土内部温度进行有效控制，承台施工采用分层浇筑的方式，见图2.

图2 承台混凝土分层浇筑顺序

总体浇筑思路：首先，进行承台施工，承台分2 层浇筑成型(3.5 m+3.5 m)，单次最大浇筑方量约为2 275.88 m3；其次，待承台施工完成后随即进行塔座施工，塔座一次浇筑完成，浇筑方量为518 m3；最后，待承台稳定后再施工系梁，两岸系梁均分2 次浇筑，四川岸一次浇筑最大方量为550.9 m3，云南岸一次浇筑最大方量为345 m3.

2.3 温控标准

大体积混凝土温控目的在于降低混凝土内表温差，避免温度裂缝的产生.通常大体积混凝土抗裂安全性可按以下2 点进行评价：特征温度控制值和抗裂保证率.特征温度主要包含浇筑温度、内部最高温度及内表温差等.根据相关规范[12-13]，并结合本工程特点，采用以下温控标准：

1)混凝土浇筑温度取值范围为5～30 ℃；

2)混凝土内部最高温度限值为75 ℃；

3)混凝土内表温差上限值为25 ℃.

抗裂保证率是将混凝土温度应力仿真计算值与容许应力参考值进行比较分析，以温度应力仿真计算值≤容许应力参考值为评价标准，并综合考虑应力值富余量对构件安全性的影响.

2.4 温控措施

桥址区风场紊乱，且风速大，加之为冬季施工，气温较低，使得混凝土内表温差控制难度极大.实际施工时，混凝土内部温度主要通过预埋冷却水管、分层浇筑及控制入水初始温度进行综合控制；混凝土外表主要采取在侧模上覆盖保温层与防雨布，顶部蓄水养生，同时输送蒸汽进行保温养护.

承台分2 次浇筑成型，每浇筑层纵横交错布设3 层冷却水管，每层4 套水管(承台冷却水管平面布置见图3)，水管长度≤200 m；水管水平间距为 100 cm，垂直间距为 100 cm(0.75 m+1.0 m×2+0.75 m).塔座一次浇筑成型，纵横交错布设2 层冷却水管，每层2 套水管，水管长度≤200 m，水管水平间距为100 cm，垂直间距为80 cm(0.6 m+0.8 m+0.6 m).冷却水管内径为40 mm，水流量为3.0 m3/h，入水初始温度为20 ℃，通水时间为7 d.现场冷却水管布置见图4.

图3 承台冷却水管平面布置/cm

图4 现场冷却水管实景

3 数值模拟分析

3.1 有限元模型

根据结构对称性，取承台、塔座1/4 结构进行仿真模拟.采用MIDAS/FEA 数值软件建立承台实体模型，选取六面体网格单元.承台的底面是岩土，将其设为固定温度，为第1 类边界条件；承台、塔座对称边界绝热为第2 类边界条件；承台每层施工时，顶面、拆模后侧面与空气进行热传递，为第3 类边界条件；未拆模侧面部分经由钢模向空气散热，为第4 类边界条件.限于篇幅，本文仅对四川岸承台数据进行分析，云南岸温控结果与之一致.承台分层施工，混凝土浇筑间歇期按7 d 考虑.有限元模型如图5 所示.

图5 承台1/4 结构有限元分析模型

3.2 温度结果分析

通过数值分析，承台混凝土内部温度计算结果见表3.由表3 可知，承台内部最高温度为54.06 ℃，于第 3 d 出现，内表最大温差为21.24 ℃；塔座内部最高温度为60.70 ℃，于第2天出现，内表最大温差为22.72 ℃.由图6 可知，各层混凝土内部温度最高，表面温度较低，温度控制应以“外保内散”为原则，即内部加强通水降温，外部加强养护保温.

表3 承台混凝土温度计算结果

图6 承台混凝土内部最高温度包络图/℃

3.3 应力结果分析

由图7～图9 可知，各浇筑层混凝土早期膨胀，前3 d 应力发展较快，集中于构件上表面，为内表温差引起的拉应力；后期混凝土收缩，即3 d后有部分应力向构件内部转移并逐渐发展至稳定水平.此外，承台和塔座早期上表面与侧面因内表温差较大均存在一定程度的应力集中现象，且二者交界面后期因固结约束作用亦存在此现象.因此，需要通冷却水降低混凝土内部温度，同时加强应力集中部位的保温养护，从而降低内表温差，防止约束累积致裂.

图7 承台第1 层混凝土温度应力场/MPa

图8 承台第2 层混凝土温度应力场/MPa

图9 塔座混凝土温度应力场/MPa

从表4 可看出，混凝土浇筑完成3 d 内，温度应力基本可达到峰值；承台各层混凝土抗裂安全系数随龄期增长而增大，第1 层混凝土抗裂安全系数最小值为1.4，第2 层混凝土抗裂安全系数最小值为1.3，塔座混凝土抗裂安全系数最小值为1.9.这表明结构处于安全状态，无裂缝产生.

表4 混凝土温度应力场计算结果

综上，承台温控效应理论计算值均符合规范要求，承台内部冷却水管布设合理、可行.

4 监测结果分析

对大体积混凝土进行仿真计算，只是从理论上对其内部温度及温度应力的变化规律进行分析，而实际施工条件并非理想状态，结果也必将与理论存有差异.因此，为及时掌握承台大体积混凝土内部温度变化趋势及规律，防止温致表面裂缝的产生，进行实时温度监测是有必要的.

4.1 测点布置

考虑到结构对称性及施工经济性，可在承台1/4 区域位置布设测温元件.承台分2 次浇筑成型，每浇筑层布设2层测点，每层11个测温元件；塔座一次浇筑成型，居中布置1 层测点，9 个测温元件.温测元件布置见图10～图11.

图10 温控测点布置立面/cm

图11 承台第1 层温控测点布置/cm

4.2 监测结果分析

从图12 可以看出，承台浇筑层混凝土在3 d内达到了温度峰值，第1 层最高温度为47.6 ℃，第2 层最高温度为48.3 ℃，这与理论计算值基本吻合.承台实测温度时程曲线总体呈先升后降的趋势，且内表温差均控制在20 ℃以内(见图13)，符合规范要求.

图12 承台实测温度时程曲线

图13 承台内表实测最大温差时程曲线

四川岸索塔承台浇筑时间为2021-12-07，拆模时间为2021-12-20；云南岸索塔承台浇筑时间为2021-12-09，拆模时间为2021-12-22.拆模后承台混凝土表面平整光滑，无裂缝产生，温控效果显著.承台现场实景如图14 所示.

图14 承台现场实景

5 结论

1)承台混凝土浇筑完成后内部峰值温度在2～3 d 内达到，出现内部温度高、表面温度低的现象，可见温度控制应以“外保内散”为原则.

2)温度拉应力前期主要集中于构件表面，后期拉应力向构件内部转移并逐渐发展至稳定水平；此外，构件表面存在一定程度的应力集中现象.

3)山区大体积混凝土内部温度可通过预埋冷却水管、分层浇筑及控制入水初始温度进行综合控制；混凝土外表建议采取在侧模上覆盖保温层与防雨布，顶部蓄水养生，同时输送蒸汽进行保温养护.