桥梁承台大体积混凝土温度效应分析

摘要：探究桥梁承台大体积混凝土温度效应，对保障承台的力学性能和桥梁结构的稳定性至关重要。依托尼日利亚卡卡铁路工程项目，采用数值模拟方法，建立桥梁承台大体积混凝土温度效应分析三维数值模型，对冷却水管冷却水流速、混凝土入模温度及冷却水通水时长，对混凝土浇筑后水化热效应的影响开展研究。研究结果表明：承台内部温度和冷却水管进出水温差峰值，随着冷却水流速的增大逐渐降低，随着混凝土入模温度的增大逐渐升高。在实际工程中，冷却水流速不宜小于0.8m/s，混凝土入模温度与外界温度的差值不应超过5℃。通水时长对混凝土水化热效应无显著影响。

关键词：桥梁承台；大体积混凝凝土；温度效应；数值模拟

0 " 引言

桥梁承台作为桥梁结构中的重要组成部分，其安全性和稳定性直接影响着桥梁的正常运行[1]。由于受到环境温度的影响，承台的温度效应成为工程设计和施工中需要重点考虑的因素之一[2]。

混凝土在硬化过程中会释放热量，导致承台温度升高，而外部环境温度的变化也会对承台温度产生影响[3]。因此了解和分析混凝土温度效应对桥梁承台结构的影响具有重要意义。

目前，已经有多位学者针对桥梁承台混凝土温度效应开展了相关研究。蔡文俊等[4]通过数值模拟，分析确定了在夏季直晒高温条件下沪通长江大桥主墩承台混凝土浇筑的温度控制关键参数，提出了控制措施，为承台大体积混凝土的施工提供了有益指导。魏尊祥等[5]通过对海南洋浦大桥某主墩承台混凝土温控项目的实际监测和有限元计算结果比较分析，验证了有限元分析在施工期温度场分析中的可行性和准确性。杨中等[6]通过三维有限元建模和仿真分析，提出了某挡潮闸枢纽工程中，高性能大体积混凝土结构浇筑的温控措施，验证了其有效性，为现场科学施工提供了理论指导。

在现有研究中，针对不同因素对桥梁承台大体积混凝土温度效应的影响研究相对缺乏。鉴于此，本研究依托尼日利亚卡卡铁路工程项目，采用数值模拟方法，对冷却水流速、混凝土入模温度及通水时长对混凝土水化热的影响开展研究。研究成果可为提高桥梁结构的设计水平和施工质量，保障桥梁的安全运行提供科学指导。

1 " 工程概况

本文依托尼日利亚卡卡铁路工程项目。该项目位于尼日利亚北部卡杜纳州和卡诺州。线路南起卡杜纳州首府卡杜纳市，经Zaria市至北方重要城市Kano。线路全长203.837km，土石方约2300万m3；车站6座；特大、大、中桥13座，总长3466m。拟建铁路位于尼日利亚北部的豪撒高平原，地势北高南低，海拔200～760m，区内存有岛山和孤山，线路多段跨越Gurara河及其支流，沿线地下水可分为孔隙潜水、基岩裂隙水等类型。

2 " 确定数值模型与材料参数

2.1 " 模型计算范围确定

基于实际铁路桥梁工程，建立桥梁承台大体积混凝土水化热温度效应三维数值分析模型。模型计算范围取实际尺寸的1/2，地基长21m，宽19m，高度为2.5m；承台长11.4m，宽9m，高度为2.5m。

2.2 " 冷却水管布设

浇筑承台所用混凝土强度等级为C35，其配合比如表1所示。冷缺管布置如图1所示。

2.3 " 模拟假设

在模拟过程中做出如下假设：假设地基与混凝土材料是均匀的各向同性的；假设地基在模拟过程中不出现变形；假设承台混凝土浇筑过程中外界环境温度为35℃。

2.4 " 网络划分

采用四节点单元对模型进行网格划分，划分完毕后，共有节点数8800个，单元数7210个，承台三维数值分析模型示意图如图2所示。

2.5 " 确定热工参数

针对地基底部及四周侧面进行绝热处理，承台及地基的热工参数如表2所示。

3 " 不同因素对承台混凝土温度效应的影响

3.1 " 冷却水流速的影响

3.1.1 " 不同冷却水流速承台内部温升

图3显示了不同冷却水流速承台内部温升曲线。由图3可知，在不同冷却水流速下，承台内部温度峰值出现时间均在浇筑后2～3d。

在0.6m/s、0.8m/s、1.2m/s、

1.4m/s、1.6m/s冷却水流速下，承台内部最高温度依次为79.52℃、79.02℃、78.52℃、78.15℃、77.91℃，由此表明，承台内部温度峰值随着冷却水流速的增大逐渐降低，但降低幅度较小，冷却水流速由0.6m/s增大至1.6m/s，承台内部温度峰值的降低幅度为2.02%。

分析认为，冷却水管通过承台时，流动的冷却水能够有效地带走混凝土中的热量，加速混凝土的固化过程。随着冷却水流速的增大，热量传递速率也相应增大，导致混凝土内部的温度峰值逐渐降低。

混凝土内部的热量传导较为缓慢，导致混凝土内部温度下降的速度较慢，温度梯度减小。因此尽管增大冷却水流速，可以加快混凝土内部的冷却速度，但对于混凝土内部温度峰值的降低影响有限。

3.1.2 " 冷却水管进出水温差随冷却水流速变化

冷却水管进出水温差随冷却水流速变化曲线如图4所示。从图4可以看出，冷却水管进出水温差随着混凝土浇筑后时间的增长，呈现出先增大后降低并趋于稳定的趋势，这与混凝土浇筑后的承台内部温度变化趋势一致。

随着冷却水流速的增大，冷却水管进出水温差逐渐降低。当安装冷却水管并开始通过水流冷却混凝土时，初始阶段由于混凝土温度较高，水管进出水流的温差较大。随着冷却过程的进行和冷却水流速的增大，混凝土温度逐渐降低，使得水管进出水流的温差逐渐减小。

在不同冷却水流速下，进出水温差最大值分别为11.13℃、9.44℃、8.25℃、7.33℃、6.71℃，冷却水流速每增大0.2m/s，进出水温差的降低幅度均大于0.6℃，流速由0.6m/s增大至1.6m/s，进出水温差最大值降低了39.71%。鉴于冷却管进出水温差最大值应小于10℃，因此在实际工程中，冷却水流速不宜小于0.8m/s。

3.2 " 入模温度的影响

3.2.1 " 不同入模温度下承台内部温升

图5所示为不同入模温度下承台内部温升曲线。观察图5可知，承台内部温度峰值随着混凝土入模温度的升高逐渐增大，在混凝土入模温度较低时，承台内部温度升高速率也越低。分析认为，当混凝土入模温度较低小于外界环境温度，由于水泥水化反应需要一定的时间，承台内部处于吸热状态，水化热释放速率相对较低，因此承台内部温度升高速率也较低。而当混凝土入模温度较高时，承台内部处于放热状态，水化反应发生速率较快，释放更多的热量，导致承台内部温度峰值增大，且温度升高速率也相对较高。这种吸热放热交替转换状态对浇筑后混凝土的质量存在不利影响，因此混凝土的入模温度不应过低。

3.2.2 " 冷却水管进出水温差随入模温度变化

图6所示为冷却水管进出水温差随入模温度变化曲线。图6中，初始阶段进出水温差为负值，表示承台内外温差为负值，混凝土处于吸热状态，对其固化不利；进出水温差为正值，表示承台内部温度大于外界温度，处于放热状态。

由图6可知，冷却水管进出水温差最大值随着入模温度的升高逐渐增大。分析认为，混凝土入模温度越高，其在浇筑后水化放热过程中的温度峰值越大，与外界温度差值也越大，从而引起进出水温差增大。

在混凝土入模温度为30℃时，初始阶段进出水温差为-0.3℃，表明此时外界环境与混凝土热量交换基本处于平衡状态。因此在实际工程中混凝土入模温度与外界温度的差值不应超过5℃。

3.3 " 通水时长

图7为不同通水时长承台内部温升曲线。从图7中可以看出，改变通水时长对浇筑后混凝土温度峰值及峰值出现时间无显著影响。

分析认为，在通水结束后承台内部温度降低速率减缓，通水时间越长，结束通水后混凝土的温度越低。通水结束后，混凝土降温方式出现变化，由冷却水降温变为自然降温，混凝土内部仍然向外界传热，但传热速率较为缓慢，导致混凝土整体温度的降低速率减缓。

通水时间越长，混凝土内部热量向外界传导的时间越长，混凝土整体温度在通水结束后的降低越明显，因此通水时间越长，结束通水后混凝土的温度越低。

4 " 结束语

探究桥梁承台大体积混凝土温度效应，对保障承台的力学性能和桥梁结构的稳定性至关重要。本文基于尼日利亚卡卡铁路工程项目，借助数值模拟方法，探究了不同冷却水流速、混凝土入模温度及通水时长条件下承台内部及冷却水温度变化规律，得出以下主要结论：

随着冷却水流速的增大，承台内部温度峰值和冷却水管进出水温差均逐渐降低，冷却水流速由0.6m/s增大至1.6m/s，承台内部温度峰值降低幅度较小仅为2.02%，进出水温差峰值降低幅度为39.71%。

随着混凝土入模温度的升高，承台内部温度和冷却水管进出水温差峰值均逐渐增大。混凝土入模温度为30℃，外界环境与混凝土热量交换处于平衡状态。在实际工程中，混凝土入模温度与外界温度的差值不应超过5℃。

通水时长对浇筑后混凝土温度峰值无显著影响，在通水结束后承台内部温度降低速率减缓，通水时间越长，结束通水后混凝土内部的温度越低。

参考文献

[1] 王年丰，陈云锋.桥梁主墩承台大体积混凝土温度控制技术

研究[J].建筑结构，2023，53（S2）：1450-1453.

[2] 徐嘉祥，武科，杨涛，等.车站底板大体积混凝土浇筑的温

度效应[J].江苏大学学报（自然科学版），2023，44（1）：117-124.

[3] 韩宇聪，武科，邢志豪，等.地铁车站大体积混凝土结构温

度效应[J].山东大学学报（工学版），2021，51（6）：93-102.

[4] 蔡文俊，马建林，李军堂，等.桥梁承台大体积混凝土温度

控制数值模拟研究[J].铁道建筑，2017（3）：1-5.

[5] 魏尊祥，夏兴佳，李飞，等.桥梁承台大体积混凝土温度场

监测与数值分析[J].公路交通科技，2014，31（4）：82-86.

[6] 杨中，吴晓荣，刘成.挡潮闸闸墩高性能大体积混凝土温度

效应与控制[J].水利水电科技进展，2012，32（5）：38-42.