大体积承台混凝土水化热仿真及温控分析

崔成男CUI Cheng-nan；蔡华CAI Hua；邢振华XING Zhen-hua；宋楠SONG Nan；田戬TIAN Jian

（中建铁路投资建设集团有限公司，北京 102601）

1 工程背景

选取位于重庆市内的某连续刚构桥主墩承台进行分析，该桥主墩承台尺寸为21.0m（横桥向）×21.0m（纵桥向）×7m（层厚）的整体式钢筋混凝土结构，承台混凝土为C40，承台浇筑方量达到3087.0m3，钢筋294.4t。承台分为两次浇筑，第一次的浇筑厚度为4m，第二次的浇筑厚度为3m。桥墩承台混凝土体积较大，为掌握砼内部最高温度和内外温差，防止混凝土结构产生裂缝，需对大体积混凝土承台水化热发生过程模拟并进行温度测试及控制。

2 结构仿真分析

2.1 模型参数设置

承台尺寸为21.0m×21.0m×7.0m，由于结构尺寸对称，此次计算采用1/4 结构进行计算，如图1 所示，并且考虑承台外围2.0m 的地基，材料参数如表1 所示，冷却管布置如图2~图4 所示。根据现场情况承台第一层和第二层拟采用大气温度为15.0℃，浇筑温度为15.0℃进行仿真分析。本次计算采用实体单元建模型。承台第一层考虑10h、24h、48h、72h、96h、120h、144h……336h 等子工况，承台第二层考虑浇筑10h、24h、48h、72h、96h、120h、144h……336 h 等子工况。分别研究冷凝管入口温度为10℃、15℃、20℃三种不同情况下的各层温度变化情况以及内外温差。

图4 2、4、6 层冷却管模型图

表1 材料参数

图1 承台1/4 模型

图2 承台外表面模型图

2.2 边界条件

①位移边界条件。这种承台的底层是浇注在地基之上的，因此承台的底板是一个静止的固定约束。由于采用了对称性原则[1-2]，在建立承台的有限元模型时，只建立了1/4的框架结构，因此，在承台的两个切割面上都是对称的，也就是第二种类型的边界。

②温度边界条件。在地基中密封的基础上，应用第一种边界状态：强迫温度[3-4]。在混凝土浇注过程中，承台两侧和上部都与大气接触，混凝土在浇注过程中会与外界进行对流，形成热量的交换，属于第三种类型：对流界面[5]。

图3 1、3、5、7 层冷却管模型图

2.3 温度变化情况

根据计算分析，承台第一层混凝土浇筑后，随着水化热不断发生，混凝土内部产生大量的热量得不到完全释放，混凝土表面与外界不断进行热量交换。因此第一层的温度呈现中间高、混凝土表面与大气相差不大的现象。如图5 所示，承台混凝土芯部温度在浇筑后72h 内急剧升高并在72h 达到最大值，其中第一、二层芯部混凝土分别达到53.07℃、55.06℃，72h 后芯部温度随浇筑时间缓慢降低。

图5 承台第一、二层芯部温度随时间变化

2.4 温度应力分析

混凝土水化热产生的热量使混凝土产生温度自应力，当超过混凝土的抗拉强度时，结构会出现裂缝，因此需要对承台混凝土浇筑过程中产生的应力进行分析。环境温度为15℃时，第一层和第二层中心点应力大部分在2MPa 以下，未产生受拉开裂。因此大体积混凝土中心点应力对于环境温度不敏感。

环境温度为15℃，第一层混凝土表面最大拉应力在混凝土浇筑后384h 达到最大值2.76MPa，整体应力在-2.5~2.76MPa 之间，第二层混凝土表面产生的拉应力整体表现比较小，应力变化曲线如图6、图7 所示。

图6 承台第一层最大拉应力点变化曲线

图7 承台第二层最大拉应力点变化曲线

3 承台温度监控

3.1 测点布置

根据有限元计算结果，并结合《大体积混凝土施工标准》（GB50496-2018），在承台上布置21 个温度测试监控点。因承台形状是竖向对称的，故承台温度测点布置在1/4承台平面内。其中第一层浇筑，厚度为4m，测位为7 个，厚度方向每测位设4 个测点，每个承台共计28 个测点。第二次浇筑，厚度为3m，测位为7 个，厚度方向每测位设3 个测点，每个承台共计21 个测点。测点平面布置图和厚度方向测点布置图如图8、图9 所示。

图8 承台温度测点平面布置图（单位：cm）

图9 承台温度测点立面布置图（单位：cm）

3.2 测试方法

现场采用了大体积混凝土智能温控与自动检测系统对混凝土的温度进行监测，指标检验与控制主要有入模温度、最大升温、里表温差、层间温差、水温温升、表面与环境温差以及降温速率[6-10]。并依据监测到的温度数据，自动控制冷却水的流量及水温，以控制砼内最高温度、里表温差、降温速率等主要指标。

在养护过程中，混凝土的内部温度应控制在60~70℃之间，表面温度和周围温度差、表面温度和内部温度差都应小于20℃，表面温度和养护用水温度差应小于15℃。温峰以后，对砼进行了慢速冷却，采用隔热措施对其最大冷却速度进行了调控，速率控制在≤2.0℃/d。

3.3 监测结果

冷却水管进口温度一般会影响砼温度峰值及升温速率，因此分析入口温度为10℃、15℃、20℃时，砼表面温度、核心温度、内表温差随时间变化的差别。

分别提取一层承台核心（节点号：9132），表面（节点号：9152）1 点，二层承台核心（节点号：12519），表面（节点号：12540）2 点分析混凝土承台结构温度场。承台温度场变化可分为快速升温阶段、快速降温阶段、缓慢降温趋于稳定阶段3 个阶段。

①第一层混凝土仿真分析。

第一层承台混凝土浇筑后，由于水泥水化反应，承台温度快速升高，核心温度在48~72h 内达到峰值。入口温度为10℃、15℃、20℃时对应的核心温度峰值47.7℃、50.4℃、53.1℃，表面温度峰值24.3℃、25.7℃、27.2℃，最大内表温差从24.9℃上升至28.5℃，如图10~图12 所示。

图10 一层不同入口温度下表面温度随时间变化曲线

图12 一层承台不同入口温度下内表温差随时间变化图

②第二层混凝土仿真分析。

图11 一层承台不同入口温度下核心温度随时间变化曲线

二层承台混凝土浇筑后，核心温度在48~72h 内达到峰值。入口温度为10℃、15℃、20℃时对应的核心温度峰值47.9℃、51.5℃、55.2℃，表 面 温 度 峰 值30.4℃、30.5℃、30.7℃，最大内表温差从20.2℃上升至26.2℃，如图13~图15 所示。

图13 二层承台不同入口温度下表面温度随时间变化曲线

图14 二层承台不同入口温度下核心温度随时间变化曲线

图15 二层承台不同入口温度下内表温差随时间变化图

结果表明：在进口温度上升后，表面温度、核心温度、内表温差初期的增温速度和峰值温度均有所提高，而到达峰值温度的持续时间较短。由于进口温度越高，水化率越大，其含水量越大，因而可以采用减小进口管道的温度来减小混凝土表面和内部的温差[11-13]。

3.4 数值仿真与工程实测比较

由于承台温度测点数众多，所以只选择了两个典型的测温层，通过数值仿真与实测结果对比，选择A 层、D 作为承台内部温度测层，以反映承台内部的温度变化，结果如图16 所示。

分析图16 可以得出，数值仿真A 层、D 层内部最高温度总体趋势与工程实测吻合较好。其中A 层平均相差0.46℃，相对误差为0.65%，D 层承台内部最高温度平均相差1.82℃，相对误差为3.38%。在充分考虑管冷以及现场施工配合比等参数后，混凝土内部绝热温升最大值与工程实测值基本吻合，说明有限元模型能达到较好状态从而指导施工。

图16 数值仿真与工程实测温度变化

4 结论

①大体积承台混凝土温度监控各项参数在可控范围内，符合规范要求。②在此基础上，承台冷却管进口处的温度逐渐上升，使其表层和内部的最大温差也随之增加，前期升温速率加快。③承台温度分布的改变可以分成快速升温、快速降温、缓慢降温趋于稳定阶段三个阶段。通过降低承台冷却水管入口温度，可以有效地减小混凝土水化凝结时产生的水化热，蛇形布置冷却水管降温效果显著。