特大桥承台大体积混凝土温控分析

邓珊

［摘 要］本文运用三维有限元软件MIDAS/FEA，对某特大桥承台大体积混凝土水化热进行了仿真分析。建模综合考虑了冷却管布置、边界条件以及施工单位提供的施工步骤、桥址施工季节气温等参数，以期准确模拟承台在既定条件下的水化热过程，获得准确的水化热三维温度场有限元分析结果，准确指导现场施工混凝土配比及后期温控工作。实际效果表明，优化后的温控方案有良好的的适用性，取得了理想的温控效果。

［关键词］大体积混凝土；有限元；水化热；温度场；温控

［中图分类号］TU7 文献标志码：A

随着我国桥梁技术的高速发展，越来越多的大跨径桥梁工程得以实施，与之配套的，桥梁也越来越多地使用大体积混凝土构件，大体积混凝土在浇筑过程中不可避免地会有温控防裂的要求。为此，大体积混凝土水化热分析及温控措施成为业内人士关注的焦点。已有不少从业人员对冷却水的冷却效果［1］、澆筑材料温度对水化热的影响［2］、混凝土浇筑期间内表温度控制、施工期后的养护温度控制及养护时间等［3］进行了研究。在上述研究的基础上，本文基于某大跨径桥承台实际工程应用分析，通过有限元仿真模型的相关成果，对温控方案进行了优化，对水泥用量进行了分析控制，提出了更为科学可行的温控方案。

1 工程概况

某多跨连续梁桥位于湖南省内，为二级公路，设计速度40 km/h，桥梁全长462 m，为预应力混凝土悬浇连续钢构桥，桥址区属于典型的山区深切峡谷地貌。该桥主跨两侧的承台高5 m，侧向尺寸15 m左右，混凝土总方量1 000余方。根据施工顺序，对最早实施的承台作为水化热监控对象，提取分析数据后，指导另一处承台施工。

2 冷却管布设优化

在实施前，先对冷却管布置图进行了优化，施工图提供了桥墩承台的冷却管参考布置图，结合既有项目及相关研究［4］，认为桥墩承台的冷却管参考布置图存在以下缺点：

第一，冷却管沿短边侧布设，弯头均在长边侧，导致冷却管弯头较多。

第二，采用直径28 mm的冷却管，直径偏小。

第三，冷却管距承台外缘最小厚度60 cm，距离过近。

前两点会导致冷却效率低，第三点会导致更大的内外温差。

考虑到承台分2层浇筑，每层250 cm，温控方案按每层沿高度布设2套冷却管，每层设置2套冷却水进出口。2套冷却管间距80 cm，距离承台长边85 cm、短边80 cm，冷却管间距110 cm，冷却管采用Φ42×2.5 mm型。

3 承台水化热有限元仿真计算

3.1 有限元模型的建立

3.1.1 混凝土热力参数

一般材料特性［5］：承台混凝土C35。混凝土物理热学特性参数如表1所示。

3.1.2 边界条件

本文将水化热分析的边界条件分成两类：有限元模型位移边界条件和热传导分析边界条件。在这些热传导分析边界条件中，包含单元对流边界、单元固定温度边界、环境温度函数、对流系数函数和热源函数［6］。

3.1.2.1 环境温度函数

由于原材料初始温度、混凝土料入仓和浇筑层界面的散热性等因素会受到环境和温度的影响，因此也可以说是环境温度对承台混凝土温度有很大的影响。除了水化热之外，气温对混凝土温度的影响最为显著，是造成混凝土开裂的主要因素，同时也是进行温度应力计算和制定温控措施的基础［7］。气温的定义应当依据施工季节的天气情况确定，在实际建模时，环境温度参数参考各承台计划的施工工期取值［8］。

3.1.2.2 对流系数函数

对流系数函数能够反映流体与固体表面间的换热能力。表面换热系数的大小与空气的物性、换热表面的形状和位置、表面与空气间的温度差异及流速等因素有关。在一定条件下，物体表面周边的空气流速越大，表面对流系数也就越大［9］。

3.1.2.3 热源函数

热源函数可以根据混凝土的配合比进行绝热温升试验，试验依据相关规范中绝热温升方法进行。

3.1.2.4 单元固定温度边界

单元固定温度边界即单位温度不会随着时间的推移而改变。在所建模型中，对承台的两侧和底部都进行了考虑，设定单元固定温度边界条件［10］。

3.1.2.5 初始温度条件

初始温度条件是指混凝土的入模温度条件。随着模具的进入，模具的最高温度将会升高，模具的内部和外部的温差将会变得很大。但是，较低的入模温度也会使混凝土的初凝变得困难。因此在施工工程中应采取行之有效的方法，将混凝土的入模温度控制在25℃以下，计算时取入模温度为25℃。

3.1.3 管冷

模型中输入管冷相关参数如表2所示。

3.1.4 施工阶段

本模型的施工阶段按照实际的施工计划模拟，每一层浇筑即为一个施工阶段。在每一阶段激活相对应的网格特性、边界条件、荷载等。最终稳定控制标准见表3。

3.2 有限元模型

以上述混凝土热工参数、环境温度、混凝土入模温度、管冷通水温度条件为依据，结合拟采取的混凝土表面保温措施等，计算和分析混凝土水化热温度场。在此基础上，应用六面体网格单元，考虑到计算效率和精度，将主墩承台划分21.6万单元数。针对不同的承台面，根据不同的施工条件，确定了封底混凝土层厚度，探讨封底混凝土层对承台底部混凝土的热传导性能的影响。

3.3 计算结果

参考配合比情况，计算了每立方混凝土水泥用量分别为250 kg、300 kg、324 kg三种工况。这里给出第一层中心和表面，以及第二层中心和表面的代表测结果。计算结果小结如表4所示。由计算结果可知，水泥用量为324 kg时，表面和核心均有开裂风险。基于计算结果，建议应控制每立方混凝土水泥的用量在300 kg以内。

承台混凝土第一次浇筑于当天上午8：30开始浇筑，浇筑方量500余方。混凝土浇筑完毕后18 h达到温峰59.1℃。温峰过后混凝土内部温度缓慢下降，降温速率稳定。

第二层混凝土浇筑在第10天后的下午进行，浇筑方量约400余方。混凝土浇筑完毕后16 h达到温峰62.3℃。温峰过后混凝土内部温度缓慢下降，降温速率稳定。第一周至第六周监测结果如表5所示。

第一周第一层浇筑后，承台内部最高温度为59.1℃，在浇筑20 h后达到。建模预测的最高温度为61.1℃，较为准确；但建模预测的达峰温时间为68 h，有较大的出入。分析原因为混凝土初凝时间过短，导致早期水化放热快。

第二周第二层浇筑后，承台内部最高温度为62.3℃，在浇筑20 h后达到。建模预测的最高温度为61.1℃，较为准确；但建模预测的达峰温时间为68 h，有较大的出入。分析原因为混凝土初凝时间过短，导致早期水化放热快。

第三周监测第一层混凝土核心温度为48.8℃，第二层混凝土核心最高温度为51.6℃，最大内表温差为13.2℃。

第四周监测第一层混凝土核心温度为44.6℃，第二层混凝土核心最高温度为43.2℃，最大内表温差为15.7℃。

第五周监测第一层混凝土核心温度为41.9℃，第二层混凝土核心最高温度为39℃，最大内表温差为14.7℃。

第六周监测第一层混凝土核心温度为39.8℃，第二层混凝土核心最高温度为37.9℃，最大内表温差为11.1℃。

由于承台所在位置为典型山区峡谷地带，受温度变化大、大风等不利温控的外部条件影响，在混凝土浇筑后表面降温较快，现场采取了用彩条布覆盖侧模表面的覆盖保温措施，同时维持承台顶面蓄温水＞10 d，且蓄温温度与核心温度温差控制在15℃以内。

两次浇筑的入模温度为25.3℃、25.6℃，略微超过建模的入模温度，是浇筑当天气温高，日照强烈，混凝土入模温度随之升高所致。在后续墩承台浇筑施工时，施工单位采取了针对性措施，降低了入模温度，取得了更好的温控效果。

考虑到复杂的外部条件，现场适当延长了拆模时间，控制拆模时间＞10 d。

5 结论与建议

大体积混凝土温控重点首先应是控制水化热总量，建议提前做好原材料适配工作，建议控制水泥用量。

大体积混凝土温控第二个重点是控制内外温差，防止裂缝产生，建议适当外掺缓凝剂，以延缓峰温出现的时间，降低峰值温度。

现场应结合施工现场情况，采取措施降低入模温度，这更有利于控制内表温差。同时，也要做好针对大温差及大风等不利外部条件的应急预案。

温控方案应结合施工方案及外部环境情况设计冷却管布设，提高冷却效率，避免加剧内表温差。

大体积混凝土应根据外部环境制订养护方案，浇筑完成后加强养护，严格保证养护时间，不利条件下还应适当增加养护天数。

温控期间，建议适当增加水泵数目，同时控制好水箱中出、入水口的距离，保证冷却效率。

参考文献

［1］王祥国，彭一凡，杨孟刚. 高铁简支钢管拱桥拱座大体积混凝土水化热及温控措施研究［J］. 铁道科学与工程学报，2020，17（3）：549-555.

［2］王琼，陈昌哲，胡志坚，等. 梁式承台大体积混凝土水化热温度场工程实测与数值仿真［J］. 混凝土，2020（9）：139-143，147.

［3］胡健中，李阳，张申昕. 大体积混凝土施工水化热分析与控制［J］. 中外公路，2020，40（4）：110-115.

［4］张晓林，王德明. 温塘特大桥主桥承台大体积混凝土水化热全过程仿真分析［J］. 工程建设与设计，2020（10）：171-173.

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［7］袁青. 预制混凝土T梁外观质量控制及评价体系研究［D］. 湘潭：湖南科技大学，2019.

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［10］万华，谭振华. 南洞庭特大桥主桥承台大体积混凝土防裂施工技术［J］. 中外公路，2017，37（3）：141-144.