大体积混凝土承台施工水化热控制研究

罗晓东 祖民星

大体积混凝土浇筑会产生大量的水化热导致结构裂缝出现，对结构稳定性和耐久性造成不利影响。文章以白坡特大桥主墩承台大体积混凝土浇筑为研究背景，对比Midas Civil有限元软件模型计算结果和水化热实测数据，进一步优化模型，改进水流速率、进水温度、冷却管的尺寸及布置，使模型数据更贴近实际水化热数据，更具有指导意义。

桥梁工程;大体积混凝土;水化热;温度;仿真模拟;有限元计算;昼夜温差;冷却管

U443.25A341184

0 引言

本文采用白坡特大桥主墩承台作为研究对象。山区桥梁施工中，存在海拔高、施工难度大、昼夜温差较大等问题，对承台水化热控制困难，水化热散发不及时造成承台内外温差过大，产生温度裂缝，内部温度急剧上升，产生的温度应力导致结构开裂和结构损伤。对比Midas Civil有限元软件模型计算结果和水化热实测数据，对模型進一步优化，改进水流速率、进水温度、冷却管的尺寸及布置，使模型数据更贴近实际水化热数据，更具有指导意义。同时，由于山区水资源匮乏，降温到一定温度时，需采用循环水，以节约资源，避免水资源匮乏造成的冷却管中途断水，对实体结构物带来更大的危害，影响结构稳定性和耐久性[1]。

1 工程概况

白坡特大桥主桥设计桥型为连续钢构，跨径组合为（70+130+70）m，主桥墩位于山体陡坡上，地形有起伏，横跨V形山谷，海拔为1 237.4～1 169.8 m，相对高差为67.6 m，该桥址区昼夜温差大，立体气候明显，干湿分明，年平均降水量约960 mm，水资源匮乏。

承台尺寸为14.6 m×9 m×4 m，采用C40混凝土，用一次性浇筑成型的方法进行施工。布置3层内径40 mm、壁厚2.5 mm钢管作散热冷却管，采用架立钢筋固定，冷却管水平方向间距为100 cm，第一、二层离承台侧面距离都是80 cm，两层之间间距1 m，每层设有2个进水口及2个出水口。

由于该地区缺水，在承台施工前，在距离主墩承台右下方200 m处设置有一蓄水池，蓄水池大小为20 m×6 m×5 m，蓄水池在承台施工时已蓄满水，以解决水资源匮乏的难题。通过2台水泵24 h不间歇抽水至承台冷却管内，24 h派人专门看守，以确保承台24 h处于湿润状态。

承台内部布设3层内径40 mm、壁厚2.5 mm钢管作散热冷却管。布设温度监测点，实时对水化热数据进行监测。

2 建模及参数计算

2.1 计算参数

白坡特大桥主墩承台采用C40混凝土，根据相关规范计算各项参数如下：

（1）C40混凝土配置强度。

设计强度fcu，k=40 MPa，根据相关资料，每立方米混凝土的材料用量如表1所示[2]。

（2）承台模型参数。如表2所示。

（3）冷却管布置参数如表3所示。

2.2 模型建立

采用Midas Civil有限元软件建立大体积承台模型，对白坡特大桥主墩承台进行整体有限元建模和分析，承台实体模型共计3 380个节点，2 552个单元，取1/4模型进行分析[3]。

定义边界条件，约束地基表面平移自由度。

定义施工阶段为10 h、20 h……360 h，环境温度函数取20 ℃，对流系数取12 kcal/（m2·h·℃），固定温度为20 ℃，热冷管通水100 h。如图1所示。

2.3 计算结果

选取混凝土达到最高温度时内部2个点和进水口附近1个点进行监控，混凝土内部选取节点29、节点381、节点439，如图2所示。

经测温计实测数据如图3所示。

实测数据与计算出现偏差的主要原因分析为：实际环境中的各项参数与理论模型部分是不相符的，但计算结果出现最高温度位置和实际环境最高温度基本吻合，具有参考价值。

3 模型优化及参数优化

由Midas Civil温度时程曲线和实测时程曲线对比可知，理论和实测温度有偏差。

实测承台中午环境温度为30.2 ℃，夜晚00：00环境温度为10.0 ℃，昼夜温差超过20 ℃，建模时未考虑环境温度变化，导致理论和实际有所偏差。

从冷却管参数进行分析，其管径采用设计推荐尺寸，由此对管冷进水温度、冷却水流量这两个参数进行分析，对模型进行优化，更贴近于实际值，由此更进一步精确建模数据，对后续承台水化热施工提供更有力的数据分析。

将冷却管流量根据实测水流速度调整为1.5 m3/h后，将冷却管进水口温度调整为实测水温19 ℃，将环境温度调整为25 ℃，将冷却管进水时间按照实际控温时长调整为150 h。

建立模型时，从可控的客观条件对水化热模型进行调整，调整水流速率、冷却管直径、冷却管布设间距及承台浇筑温度，对比分析后选择合适的控温措施。由于山区缺乏水资源，待承台内部水化热温度达到某个值时，还需要使用循环水进行降温。

3.1 对比流速

冷却管流量为1 m3/h、1.5 m3/h、1.8 m3/h、2.5 m3/h的工况在10 h、30 h、40 h、50 h、70 h、90 h、100 h、150 h、200 h时对数值模拟进行分析。

由表4可知，冷却管的冷却效果随着冷却水的流量而变化，水流量越大，冷却效果越好，在水流量超过1.8 m3/h增加至2.5 m3/h时，降温效果反而较差。因此选取水流量为1.8 m3/h较为合理，其冷却效果良好，避免水资源浪费。

3.2 对比冷却管间距

冷却管的密集程度能够有效降低水化热的温度和峰值，当冷却管间距过密时，影响混凝土的浇筑、振捣。冷却管布设选取水平间距分别为0.8 m、1 m、1.5 m等工况进行对比分析，其内部核心点温度如图4所示。

由图4可知，承台水化热降温速率随着冷却管竖向间距的变化而变化，水平间距越密，冷却效果越好，在冷却管间距<0.8 m时，冷却管降温速率不再变化，因此选取0.8 m的布置间距比较合理，避免了材料的浪费。

3.3 承台浇筑温度

承台浇筑的时段不同，浇筑的温度不同，对承台大体积混凝土结构施工过程中产生裂缝有重要影响，分别选取早上20 ℃、中午30 ℃、晚上15 ℃的温度进行对比。

从图5可以看出，承台水化热结果随浇筑温度的升高而升高，需要选取合适的浇筑温度才能有效降低承台内部水化热峰值。选取混凝土的浇筑时间在下午，温度为15 ℃，以满足工程实际需要。

4 结语

通过Midas Civil有限元模型对施工进行指导时，建模理论要根据现场实际情况来综合考虑，使理论建模数据更加具有实际指导意义。具体结论如下：

（1）施工前，要对目前施工现场所具有的资源条件进行分析。在缺水、昼夜温差较大的情况下，采用Midas Civil有限元模型对承台水化热进行分析时，应考虑在水化热降低至平稳时采用循环水，既可以节约水资源，避免水化热排放的污水对周边环境造成影响，还可避免水资源匮乏造成的冷却管中途断水对实体结构物带来更大的危害，影响结构稳定性和耐久性[4]。

（2）通过调节冷却管进水口温度、冷却管间距、冷却水流速、混凝土施工时间等参数对承台大体积混凝土水化热结果进行调整。选择20 ℃进水口水温对承台进行冷却，采取0.8 m的冷却管横向布置间距，1.8 m3/h的冷却水流速，具备以上条件后，待下午温度稳定在15 ℃时进行承台混凝土施工。

（3）理论数据要根据现场实际情况来进行综合计算，使理论建模数据更加具有代表性，让理论对实际施工更具指导意义。

[1]JTG TF50-2011，公路桥涵施工技术规范[S].

[2]JGJ 55-2011，普通混凝土配合比设计规程[S].

[3]孙全胜，卢二侠，李 辉.大体积混凝土施工期的水化热温度场仿真分析[J]，中外改路，2006，26（6）：159-165.

[4]GB50496-2009，大体积混凝土施工规范[S].