橋梁承臺大體積混凝土水化熱分析及溫控研究

韓磊

（中鐵三局集團有限公司，太原 030001）

1 引言

商合杭高速鐵路是貫通河南、安徽、浙江三省十市的重點工程項目，其控制性工程之一裕溪河特大橋為鋼箱桁梁斜拉橋，主跨 324m，其主塔承臺 30.5m×23.9m×6m。大體積混凝土的裂縫控制是技術(shù)難點，應(yīng)予以足夠重視[1，2]。主塔承臺因體積較大，需分2次進(jìn)行澆筑，第1次澆筑 3.5m，第2次澆筑2.5m。

2 承臺混凝土模擬澆筑分析

大體積混凝土澆筑量大，結(jié)構(gòu)邊界條件復(fù)雜，借助數(shù)值軟件進(jìn)行計算分析。

2.1 水化熱計算模型

采用實體單元建模，模型劃分為2390個實體單元，視承臺與空氣接觸面單元為第1層對流邊界，把第1層和第2層接觸面的單元對流邊界鈍化。

2.2 水化熱計算參數(shù)

混凝土初始澆筑，初始環(huán)境溫度設(shè)置為 10℃，鋼模外表面與外界環(huán)境的熱對流系數(shù)為 35.75kJ（/ m2·h·C）；設(shè)置地基表面與外界環(huán)境接觸表面的溫度為固定值 10℃；混凝土放熱函數(shù)采用普通硅酸鹽水泥取值 240kg/m3，常數(shù) a 設(shè)為 0.495，最大絕熱溫升 39.8℃，冷卻管管徑 57mm，冷卻水比熱取值4.2kJ（/ kg·C），流量 2.9m3/h，流入溫度 10℃，熱對流 系 數(shù)1700kJ（/ m·2h·C）。

2.3 水化熱計算結(jié)果及分析

2.3.1 第一次澆筑

分別取承臺內(nèi)部溫度較高和承臺表面應(yīng)力較大節(jié)點，繪制承臺內(nèi)部、外部溫度和應(yīng)力變化曲線。承臺內(nèi)部的溫度最高，在第 4d時達(dá)到最高值 29℃，不超過 60℃；內(nèi)外溫差最大值為 19℃，不超過 20℃，滿足溫度控制要求，圖1為承臺內(nèi)部溫度變化曲線。承臺表面的主拉應(yīng)力在第 4d時達(dá)到最大值，為2.3MPa。在整個澆筑的過程，隨混凝土強度發(fā)展，主拉應(yīng)力值均小于允許應(yīng)力值，滿足應(yīng)力控制要求。

圖1 承臺內(nèi)部溫度變化曲線

2.3.2 第二次澆筑

與第一次澆筑情況一致，溫度最大值出現(xiàn)在第 4d，溫度最大值為 26℃，主拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在第 4d，主拉應(yīng)力最大值為 2.2MPa。承臺內(nèi)部和表面的溫差最大值為 17℃。

3 承臺自動降溫監(jiān)測

承臺自動控制降溫系統(tǒng)根據(jù)混凝土內(nèi)部溫度高低自動控制冷卻水的循環(huán)，并采用出水養(yǎng)護(hù)混凝土，進(jìn)一步縮小內(nèi)外溫差。圖2為自動控制降溫系統(tǒng)。

圖2 自動控制降溫系統(tǒng)

3.1 布設(shè)冷卻水管

冷卻水管直徑 φ57mm、壁厚 3mm，第1次澆筑在冷卻水管距離承臺底面 1m 處布置第1層，第2層于中間布置，第2 層距離第1層 1.5m。

3.2 冷卻水循環(huán)

自動溫控系統(tǒng)采用控制循環(huán)水的水流和溫度來就行冷卻控制，出水口水溫控制在 40℃以下、進(jìn)水口溫差控制在 5～10℃[3]。

3.3 溫度監(jiān)測

在 1/4 承臺平面內(nèi)進(jìn)行承臺混凝土的溫度測試監(jiān)控。第1次澆筑，共設(shè)49個測點，厚度方向每側(cè)位設(shè)7個測點，每條軸線側(cè)位為4個；第2次澆筑，共設(shè)35個測點，厚度方向每側(cè)位設(shè)5 個測點，每條軸線側(cè)位為4個。

3.4 降溫效果分析

降溫效果分析如下：

1）第1層混凝土，芯部最大溫度于澆筑 52h 后達(dá)到峰值43.9℃，小于理論溫度 50.0℃，也小于規(guī)范值 60.0℃；第2層混凝土，芯部最大溫度于澆筑 44h 后達(dá)到峰值 48.0℃，大于理論溫度值 47.6℃，但不大于超差 0.5℃，也小于規(guī)范值 60.0℃。

2）第1層混凝土，表面溫度與暖棚內(nèi)大氣溫度差值小于20.0℃，混凝土芯部溫度與側(cè)表面、與頂表面溫度之差均小于20.0℃，符合規(guī)范要求；第二層混凝土，芯部溫度與側(cè)表面溫度之差、與頂表面溫度之差小于 20℃，僅個別時間段最大值為22.2℃，在可控范圍內(nèi)。

3）由于現(xiàn)場施工條件的復(fù)雜性和不確定性，理論仿真分析無法做到與實際情況的完全一致，承臺混凝土芯部溫度實測值基本在理論計算值范圍內(nèi)，隨時間變化，其增長趨勢與理論值基本一致，符合溫度監(jiān)控要求；僅在養(yǎng)護(hù)后期，部分時間段實測值略微超過理論計算值，在可控范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

通過有限元軟件建立實體模型，基本能夠真實反映大體積混凝土施工中水化熱的情況，為大體積混凝土施工方案制訂提供了理論依據(jù)。循環(huán)冷卻水自動控制降溫技術(shù)能有效控制混凝土內(nèi)外溫差、降低人力成本，尤其適用于冬季施工。