大體積混凝土水化熱有限元計算及溫控措施探討

摘要：大體積混凝土水化熱導致的溫度效應直接關(guān)系到橋梁結(jié)構(gòu)的安全和正常使用，為避免混凝土在施工過程產(chǎn)生溫度裂縫，需要在大體積混凝土施工前進行水化熱分析，并在施工過程中采取溫度控制措施（以下簡稱溫控措施）。文章以某斜拉橋輔助墩承臺大體積混凝土工程為實例，采用有限元方法測算承臺中布設的3層冷卻管對大體積混凝土水化熱的影響，根據(jù)計算結(jié)果布置承臺溫度測點，并將實測數(shù)據(jù)與有限元解法進行對比分析，結(jié)果顯示兩者符合度較好，可采用有限元解法指導實際施工。此外，研究發(fā)現(xiàn)將適量粉煤灰中摻入大體積混凝土，可有效降低溫升峰值和延緩溫升峰值的出現(xiàn)，防止混凝土產(chǎn)生溫度裂縫；冷卻管的應用有效調(diào)節(jié)了大體積混凝土的溫度場，其降溫效果比未布置冷卻水管的混凝土降低了1 ℃～7 ℃，降溫作用顯著。該研究可用于指導大體積混凝土的設計和施工，并為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：大體積混凝土；水化熱；有限元計算；溫控指標

中圖分類號：U445.57" " " "文獻標識碼：A" " " 文章編號：1674-0688（2024）06-0125-04

0 引言

近年來，大體積混凝土結(jié)構(gòu)在橋梁建設中得到越來越廣泛的應用，大跨徑橋梁的擴大基礎、承臺、拱座、錨碇等構(gòu)件均采用大體積混凝土結(jié)構(gòu)，大體積混凝土水化熱造成的溫度裂縫和溫度控制問題日益凸顯。在大體積混凝土結(jié)構(gòu)的施工過程中，水泥的水化作用引起放熱，使混凝土內(nèi)部的溫度迅速升高，而其低導熱性導致熱量積聚難以散發(fā)，與表面快速散熱形成內(nèi)外溫差，進而產(chǎn)生拉應力，當拉應力超過混凝土即時抗拉強度時，就會產(chǎn)生裂縫［1-2］。大體積混凝土構(gòu)件具有體積龐大、各類材料用量大、施工周期長、工程條件復雜、施工技術(shù)要求高的特點，并且其結(jié)構(gòu)大部分暴露在自然環(huán)境中，缺乏遮擋，易受環(huán)境影響，因此相對而言溫度控制難度增加。在有關(guān)大體積混凝土溫控措施的研究中，劉睫等［3］應用Ansys有限元軟件計算混凝土內(nèi)部及表面溫升曲線，通過采用鋪設冷卻水管的溫控措施降低混凝土內(nèi)部的溫升峰值，使內(nèi)外溫差得到有效控制；陳仲先等［4］結(jié)合某大型橋梁工程實例，提出采用低熱水泥、減少水泥用量、摻入混合材料替代部分水泥、鋪設冷卻水管等溫控措施；張超等［5］利用有限元熱流耦合精細算法，研究采取冷卻水管里的水流與實施混凝土的相互對流熱交換機制，提出采用冷卻水管雙循環(huán)的布置方式，使水管的冷卻作用得到了更好的發(fā)揮；張小川［6］分析了大體積混凝土內(nèi)部溫度場和溫度應力變化規(guī)律，提出溫度監(jiān)測和裂縫控制的措施；張明雷［7］從大體積混凝土的入模溫控、混凝土內(nèi)部溫升峰值控制及混凝土養(yǎng)護等方面，對比分析不同溫控措施的優(yōu)劣和經(jīng)濟性，提出了合理的溫控和防裂方案。在實際大體積混凝土構(gòu)件施工過程中，溫控指標的設定和溫控措施的制定需滿足規(guī)范要求，同時結(jié)合現(xiàn)場實際，確保方案既經(jīng)濟合理又便于施工。本文結(jié)合某斜拉橋輔助墩承臺大體積混凝土施工實例，闡述大體積混凝土水化熱的計算方法，根據(jù)計算結(jié)果布置溫度測點，并將實測值與有限元解進行對比分析。這一研究成果可用于指導大體積混凝土的施工，并為類似大體積混凝土工程溫控措施的制定提供參考。

1 溫度場的有限元計算原理

不穩(wěn)定溫度場的有限元求解有顯式和隱式兩種解法。隨著計算機計算能力的快速提升，隱式解法因不受時間步長的限制而得到越來越廣泛地使用，因此本文也采用隱式解法。

如公式（1）至公式（4）所示，考慮熱傳導方程、邊界條件及初始條件，由變分原理可知，溫度場的有限元計算問題可等價于泛函求極值問題，即溫度場[T]在初始時刻[T0]取初始溫度，在第一類邊界條件[C']上取給定溫度[Tb]，并使公式（5）取極小值。

2 工程概況

2.1 承臺概況

某特大橋主橋為（41+109+320+109+41）m雙塔雙索面鋼-混凝土矮塔斜拉橋，承臺兩側(cè)分別連接簡支梁。斜拉橋主橋的主梁截面形式為單箱雙室直腹板箱梁，橋塔為實體矩形截面的“H”形鋼筋混凝土塔。輔助墩采用圓端形流線型橋墩，承臺采用C35混凝土，尺寸為15.0 m（橫橋向）×10.2 m（順橋向）×4.0 m（高度），一次澆筑施工，澆筑方量為612 m3，屬于典型的大體積混凝土。表1為輔助墩承臺的混凝土配合比。

結(jié)合以往工程經(jīng)驗并考慮現(xiàn)場的實際情況，輔助墩承臺采用鋪設冷水管的溫控措施降低混凝土水化熱導致的升溫溫度。冷卻水管采用50 mm×3 mm規(guī)格的鋼管，共鋪設3層，豎向間距為1 m，每層各布置1條回路，各層之間采用獨立的進出水管，進出水口露出承臺側(cè)面40 cm（見圖1）。

2.2 布設溫度監(jiān)測點

大體積混凝土施工前，需布設溫度監(jiān)測點，布設原則為真實地反映大體積混凝土的里表溫差、降溫速率和大氣溫度。具體而言，布設既要兼顧混凝土中心、表層、邊緣及易透風的區(qū)域，也要能監(jiān)測到混凝土的入模溫度、底層溫度和大氣溫度；同時，可以利用結(jié)構(gòu)的對稱性，在對稱的位置不布設或少量布設溫度測點以提高監(jiān)測效率。本工程的溫度監(jiān)測點具體按照下列方式布設：①測區(qū)選取結(jié)構(gòu)平面對稱軸線的半邊分層布設測點。②根據(jù)混凝土澆筑體溫度場的分布情況和溫控規(guī)定，確定測區(qū)內(nèi)溫度監(jiān)測點的位置與數(shù)量。③每條測試軸線上，測點不少于3處。④沿混凝土高度方向布設底層、中心和表層溫度監(jiān)測點。⑤大氣溫度監(jiān)測點的數(shù)量根據(jù)具體需要確定。⑥混凝土表層溫度為混凝土表面以內(nèi)50 mm處的溫度。⑦混凝土底層溫度為混凝土底面以上50 mm處的溫度。

按照以上原則，輔助墩承臺混凝土的縱橋向和橫橋向均選取對稱軸的一半布設溫度監(jiān)測點，橫橋向布設1#～5#共5條測線，縱橋向布設5#～7#共3條測線，沿高度方向每條測線布設3個溫度監(jiān)測點（1’～3’），輔助墩承臺混凝土共布設（5+3-1）×3=21個溫度監(jiān)測點（見圖2）。

2.3 溫度控制指標

輔助墩承臺大體積混凝土溫升峰值、里表溫差等溫度控制指標按照《大體積混凝土施工標準》（GB 50496—2018）和《大體積混凝土溫度測控技術(shù)規(guī)范》（GB/T 51028—2015）制訂，具體溫度指標控制值見表2。

3 對比分析

3.1 有限元計算結(jié)果

使用有限元計算軟件 Midas/ Civil對該橋輔助墩承臺進行全過程施工澆筑實體模擬分析。承臺采用 C35混凝土，通過添加熱源的方式模擬水化熱效應，采用管冷的方式模擬冷卻水管的降溫作用，同時兼顧混凝土的收縮徐變特性，分析計算混凝土澆筑后各個階段的變化。輔助墩承臺水化熱及冷卻管模擬有限元圖見圖3。

根據(jù) Midas/Civil 的計算結(jié)果，在輔助墩承臺大體積混凝土澆筑過程中及澆筑后，承臺最高溫度云圖分布情況見圖4，混凝土內(nèi)部的最高溫度為62.2 ℃?；炷翝仓笤谌肽囟?0 ℃的基礎上的溫升值為 42.2 ℃，滿足《大體積混凝土施工標準》的要求。

圖5為輔助墩承臺大體積混凝土澆筑體里表溫差，其中最高里表溫差為 18.0 ℃。根據(jù)《大體積混凝土施工標準》的規(guī)定，混凝土澆筑體里表溫差（不含混凝土收縮當量溫度）不宜大于25 ℃，因此滿足規(guī)范要求。

3.2 實測結(jié)果

輔助墩承臺施工完成后，未出現(xiàn)肉眼可見的裂縫。輔助墩承臺溫度監(jiān)測情況統(tǒng)計表見表3。

3.3 有限元計算結(jié)果與實測結(jié)果對比分析

有限元計算結(jié)果與實測結(jié)果對比分析如下。

（1）水化熱有限元模擬計算中不能充分考慮混凝土的緩凝效率，現(xiàn)場的養(yǎng)護條件與理論設定也存在差異，有待進一步分析。

（2）雖然溫升峰值未超過規(guī)范值，但是部分溫控指標，尤其是前期的降溫速率，超過了控制值，究其原因可能是混凝土澆筑后的養(yǎng)護不足、混凝土的保溫措施不到位、大氣溫度下降較快。

（3）測點溫度實測的最大值大于理論計算值，其原因可能是混凝土的實際絕熱溫升可能大于預估值，這與粉煤灰的實際摻量未達到原設計配合比相關(guān)；實際入模溫度略高于理論計算值且時刻處在變化中。

（4）相近位置的測點溫度相差較大，可能是同一批次澆筑的混凝土水化性能存在較大差別的原因。

（5）雖然各測區(qū)的實際澆筑時間存在前后差異，但是在溫度達到峰值并開始下降的時間點比較接近，為施工帶來了方便。因此，可考慮同時停止冷卻水循環(huán)，以免部分區(qū)域出現(xiàn)降溫過快的情況。

4 結(jié)論與建議

本文結(jié)合某橋梁輔助墩承臺大體積混凝土施工實例，研究了大體積混凝土水化熱有限元計算及溫控措施，得出的結(jié)論與建議如下。

（1）通過對橋梁輔助墩承臺施工全過程進行水化熱溫度場仿真分析，建立了融合收縮徐變、大氣溫度變化、冷卻水管作用的三維有限元實體模型，模型計算結(jié)果與實測值吻合度較高。因此，采用計算機有限元程序模擬大體積混凝土施工期的水化熱溫度場具有可行性，可用于指導實際設計和施工，能最大限度地降低大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的概率。

（2）在設計大體積混凝土配比時，適量摻加粉煤灰可有效延緩水化熱溫升峰值的出現(xiàn)，有利于保證混凝土的質(zhì)量和防止溫度裂縫的產(chǎn)生。

（3）冷卻水管可以有效調(diào)節(jié)大體積混凝土水化熱引起的溫度場，與無管狀態(tài)相比，設置冷卻水管后，溫度降低1～7 ℃，降溫效果明顯。

5 參考文獻

［1］李強.橋梁大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度應力及其敏感性因素分析［D］.西安：長安大學，2009.

［2］朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制［M］.北京：中國電力出版社，1998.

［3］劉睫，陳兵.大體積混凝土水化熱溫度場數(shù)值模擬［J］.混凝土與水泥制品，2010（5）：15-18，27.

［4］陳仲先，湯雷.大型橋梁中大體積混凝土的溫度控制［J］.橋梁建設，2001（1）：14-16，20.

［5］張超，常曉林，劉杏紅.大體積混凝土施工期冷卻水管埋設形式的優(yōu)化［J］.天津大學學報（自然科學與工程技術(shù)版），2014，47（3）：276-282.

［6］張小川.橋梁大體積混凝土溫度控制與防裂［D］.成都：西南交通大學，2006.

［7］張明雷，李進輝，劉可心.大體積混凝土現(xiàn)場溫度控制措施比較分析［J］.施工技術(shù)，2013，42（S1）：168-171.

【作者簡介】張文，男，廣西岑溪人，工程師，研究方向：道路工程。

【引用本文】張文.大體積混凝土水化熱有限元計算及溫控措施探討［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2024（6）：125-128.