三水三桥主墩大体积混凝土承台温控仿真研究

洪贵权

(佛山市建盈发展有限公司，广东 佛山528000)

1 工程概况与气象条件

三水三桥主桥设计全长518 m，跨径布置为(52+56+72+338)m，双向八车道，桥面全宽45 m，其中主跨跨越东平水道，设计采用混合梁独塔斜拉桥(钢箱梁+混凝土梁)(如图1所示)，主塔高168 m，主跨钢混结合面距主塔中心线11.5 m，箱梁截面采用整体式单箱三室。

图1 主桥桥型立面图(单位：cm)

33#主墩承台采用整体式，高6 m，平面尺寸为56 m×27 m(横×顺)，横桥向设椭圆端(长轴半径13.5 m，短轴半径5.5 m)，承台设计混凝土强度等级为C40，方量8689.6 m3，鉴于主墩承台混凝土浇筑方量大，施工方案拟分两次浇筑完成，单次浇筑方量约4345 m3。

桥址位于广东省佛山市三水区，地处亚热带地区，属于亚热带季风气候，气候湿润，雨量充沛，日照时间长，年平均气温21.4～21.9℃，最冷1月平均气温为12.9～13.5℃，极端最低气温为-2.6℃，最热7月平均气温28.4～28.7℃，极端最高气温达38.7℃。年平均降雨量2200 mm，常规平均降雨量为1620～1650 mm，降雨天数为140～150 d，雨水集中在4～9月。冬季冷风南下，常形成5～7 级偏北风，最大风力出现在夏、秋台风季节，风力一般在7级左右，本区域受台风影响较大，最大风速达34 m/s，台风常伴随大雨或暴雨，台风降雨量一般在200 mm，最大达400～500 mm，三水区往年月平均温度如图2所示，本工程区域基本不涉及冬季施工。

图2 三水区往年月平均温度图

2 温度与应力评价标准及控裂重难点

2.1 温度与应力评价标准

大体积混凝土的温度评价指标主要有入模温度、内部最高温度、内表温差，依据有关规定[1-2]，本工程要求控制值范围：①10℃≤入模温度≤28℃；②混凝土内部最高温度≤75℃；③混凝土最大内表温差≤25℃。

本工程将混凝土温度应力仿真计算值与容许应力参考值进行比较分析，以温度应力仿真计算值不小于容许应力参考值为评价标准，综合考虑应力值富余量对构件安全性的影响。将混凝土抗拉强度参考值设为容许应力，并修正确定C40混凝土特定龄期容许应力参考值：3d/2.16MPa、7d/2.67MPa、28d/3.20MPa、180d/3.30MPa。

2.2 控裂重难点

(1)33#主墩承台单次最大浇筑方量约4345 m3，C40混凝土为较高强度等级，混凝土绝热温升高，混凝土温升控制不妥时，易因内表温差产生较大温度应力而致使开裂[3]。

(2)桥址所在地气温较高、日晒时间长，浇筑量大、分层浇筑间隔时间较长时，会因层间水分蒸发过快发生收缩开裂。

(3)33#主墩承台施工日期为6月，是高温期施工，混凝土入模温度难以控制。

3 混凝土配合比及性能指标

33#主墩承台混凝土设计采用C40，本工程混凝土配合比设计见表1。

表1 大体积混凝土配合比 (单位：kg/m3)

混凝土物理热学参数根据混凝土配合比进行计算，线膨胀系数、泊松比根据经验取值，结果见表2。其中：①混凝土弹性模量根据《大体积混凝土施工标准》附录B“B.3 混凝土的弹性模量”进行计算[2]；②混凝土比热、导热系数根据《大体积混凝土温度应力与温度控制(第2版)》2.6 节“混凝土的热学性能”进行计算[4]。

表2 混凝土物理热学参数

4 主墩承台仿真计算

4.1 承台模型参数

构件尺寸：主桥主墩承台采用整体式，高6 m，平面尺寸为56 m×27 m(横×顺)，横桥向设椭圆端(长轴半径13.5 m，短轴半径5.5 m)。约束条件：承台封底采用C25混凝土，厚度3.5 m。分层分块：承台分两次浇筑，每次浇筑高度3 m。按照构件的对称性，选取构件混凝土1/4 进行温度应力计算[5]，其计算模型见图3。

图3 主墩承台大体积混凝土1/4网格剖分图(含封底约束)

4.2 承台边界条件

33#主墩承台大体积混凝土浇筑边界条件如表3所示。其中，①入模温度：33#主墩承台于6月浇筑，是高温期施工，按前述要求控制≤28℃。②环境温度：参考桥址所在地佛山市三水区往年月平均气温，主墩承台于6月施工，环境温度按气温取值为29±3℃。③模板材质：等效散热系数根据《大体积混凝土温度应力与温度控制(第二版)》3.3 节“边界条件的近似处理”进行计算[4]。

表3 大体积混凝土边界条件

混凝土通过保温层对空气进行散热的等效放热系数βs，可由式(1)计算：

(1)

施工风速取4 m/s，光滑表面在空气中的放热系数βs=76.7 kJ/(m2·h·℃)；粗糙表面在空气中的放热系数β=82.2 kJ/(m2·h·℃)。

侧面：为钢模导热系数λ=163.29 kJ/(m·h·℃)，求βs=76.6kJ/(m2·h·℃)。

分层面、永久暴露面：表面采取蓄水养护(蓄水15 cm)，水的导热系数取λ=0.58×3.6 kJ/(m·h·℃)=2.09 kJ/(m·h·℃)，求得βs=11.9 kJ/(m2·h·℃)。

4.3 承台仿真计算结果

4.3.1 温度计算结果及分析

在上述设定工况计算条件，承台内部最高温度与最大内表温差计算结果见表4，其计算值满足2.1所确定的温度控制标准。

表4 温度计算结果

计算构件内部最高温度包络图见图4，可见构件内部温度最高，且大于60℃占承台总体积的41.5%，表面温度较低，为29～33℃；因此在浇筑后温度控制的重点为“外保内散”，即内部循环通水加速散热(必要时可通冰水)，周边与表面部位需增强保温养护。

图4 承台混凝土内部最高温度包络图(温度单位：℃)

选取承台第一层表面N:6572点和中心N:8813点，得到温度时程曲线见图5a，选取承台第二层表面N:18312点和中心N:26984点，得到温度时程曲线见图5b。可见承台内部温度最高点出现在第三天，温峰后内部温度降温较慢，表面温度降温较快，内表温差持续增大。第二层承台新浇筑的混凝土会引起第一层已浇筑混凝土温度回升，此时可对第一层承台内部混凝土再次循环通水进行降温。

(a)承台第一层混凝土典型点温度时程曲线

4.3.2 应力计算结果及分析

在上述设定工况计算条件下，承台大体积混凝土特定龄期温度应力计算结果见表5，可以看出，承台混凝土各龄期温度应力计算值均低于容许应力值，抗裂安全性符合标准。

表5 承台温度应力计算结果

承台第一层与第二层混凝土各龄期应力场分布见图6和图7。由图可看出，两层承台混凝土早期膨胀，3～7 d 应力发展迅速，主要表现在构件上表面，是内表温差引起的拉应力[6]；后期混凝土产生收缩，7 d后有部分应力向构件内部转移并随时间逐趋于稳定。因早期混凝土上表面与侧面的内表温差较大会产生一定应力集中，应注意在3～7 d加强通循环冷却水降低构件内部温度与外露表面的保温养护，使其内表温差降低，避免约束累积开裂。

(a)3 d应力场

(c)28 d应力场

(a)3 d应力场

5 结语

在参建各方的共同努力下， 33#主墩承台历时2个多月顺利施工完成。通过现场温度监测，各层承台的内表温度发展、温峰出现日期与仿真计算结果基本吻合，采取“外保内散”的温控措施后，承台表面混凝土未发现温度裂缝，达到了预期的效果。

本研究通过仿真计算三水三桥主墩承台施工期大体积混凝土内部温度场与应力场，33#主墩承台大体积混凝土内部最高温度66.4℃，最大内表温差20.5℃，均符合规定，承台混凝土各龄期温度应力计算值均在容许应力值范围内。同时，分析得出温峰在第3 d出现，温峰后内部温度降温较慢，表面温度降温较快，内表温差持续增大；承台上表面的应力在3～7 d发展迅速，7 d后部分应力开始向承台内部转移；在早期承台混凝土上表面与侧面较薄弱，因内表温差较大产生应力集中，应注意在3～7 d加强循环冷却水降低内部温度与外露表面的保温养护，以此指导施工，防止构件出现裂缝，可为类似工程提供借鉴。