方貽立 謝功元 鄒 力

（1.湖北省交通運(yùn)輸廳高速公路管理局 武漢 430034； 2.中鐵大橋局科學(xué)研究院 武漢 430034）

與分層澆筑相比，采用整體澆筑的混凝土承臺(tái)，混凝土內(nèi)部水泥水化熱與外界熱交換相對(duì)緩慢，內(nèi)外溫差更大，溫度應(yīng)力也更大，產(chǎn)生溫度裂縫的可能性也越大。

漢江特大橋主墩承臺(tái)平面尺寸為20 m×20 m，厚5.5 m，使用C35混凝土，設(shè)計(jì)方量為2 200 m3，采用整體澆筑法施工。對(duì)承臺(tái)澆筑過程進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，考慮各方面的影響因素，分析冷卻水管、外界約束對(duì)承臺(tái)混凝土內(nèi)部溫度的影響，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，制定了可行的溫度控制措施，在漢江特大橋承臺(tái)施工中取得了很好的效果。

1 溫度控制的本質(zhì)

溫度裂縫和溫度應(yīng)力是大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫控的2個(gè)重要指標(biāo)，溫度應(yīng)力超過混凝土相應(yīng)齡期的抗拉極限強(qiáng)度時(shí)，結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生溫度裂縫［1］。

就大體積混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度裂縫的力學(xué)機(jī)理而言，可以從以下2點(diǎn)來進(jìn)行控制［2］：①提高大體積承臺(tái)混凝土相應(yīng)齡期的抗拉強(qiáng)度；②降低混凝土因溫差引起的溫度應(yīng)力。第一點(diǎn)屬于混凝土材料特性研究范疇，第二點(diǎn)屬于混凝土溫度控制的研究范疇，通過采用合理的溫度控制措施減小混凝土溫度應(yīng)力來降低溫度裂縫產(chǎn)生的概率。

本文主要是對(duì)第2點(diǎn)（溫度控制）進(jìn)行研究分析，采用合理的溫控措施降低混凝土內(nèi)部水化熱的聚集，加快混凝土與外界的熱交換速度，采用合理的約束形式，以降低溫度應(yīng)力。

2 計(jì)算參數(shù)

2.1 絕熱溫升

漢江大橋主墩承臺(tái)混凝土配合比已經(jīng)確定，本文采用2種方法計(jì)算絕熱溫升，混凝土配合比見表1。

表1 主墩承臺(tái)及塔座混凝土配合比

（1）文獻(xiàn)［3］中采用以下公式計(jì)算絕熱溫升

最后求出水泥水化熱絕熱溫升：t（t）＝42.6℃，計(jì)算時(shí)按43℃考慮。

（2）按照文獻(xiàn)［4］中采用以下公式計(jì)算絕熱溫升，即

由上式可知混凝土水化熱最高升溫

最 后 求 出 水 泥 水 化 熱 絕 熱 溫 升：t（t）＝37.7℃，計(jì)算時(shí)按38℃考慮。

經(jīng)比較，式（2）中未考慮粉煤灰參量對(duì)絕熱溫升的影響，式（1）更為合理，采用式（1）的計(jì)算結(jié)果。

2.2 混凝土中心溫度

混凝土中心最高溫度按照經(jīng)驗(yàn)公式（3）計(jì)算

式中：th為混凝土中心溫度；tj為混凝土澆筑溫度，文中混凝土澆筑溫度為26.8℃；t（t）為混凝土絕熱溫升；ζ為不同澆筑混凝土塊厚度的溫度系數(shù)，本文中取0.95。

2.3 內(nèi)外溫差

承臺(tái)混凝土內(nèi)外溫差按照經(jīng)驗(yàn)公式（4）計(jì)算thmax－tpmin＝67.7－25＝42.2℃ （4）

內(nèi)外溫差大大超過了允許值25℃，因此必須采取溫控措施。

3 模擬計(jì)算

采用計(jì)算程序Midas／Civil對(duì)大體積混凝土承臺(tái)的溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，考慮澆筑方式、入模溫度、分層厚度、冷卻水管布置、環(huán)境溫度場(chǎng)、混凝土徐變收縮等因素.主要對(duì)以下工況進(jìn)行計(jì)算：

（1）承臺(tái)采用整體澆筑時(shí)，在承臺(tái)中間增加了一層冷卻水管，分別計(jì)算布置4層冷卻水管和5層冷卻水管時(shí)的溫度場(chǎng)。

（2）漢江大橋基礎(chǔ)采用鋼圍堰施工，承臺(tái)四周邊界約束條直接影響承臺(tái)受力，分別計(jì)算四周有約束和無約束時(shí)的應(yīng)力場(chǎng)。

3.1 冷卻水管分析

布置4層和5層冷卻水管的溫度場(chǎng)分布見圖1和圖2。

圖1 承臺(tái)溫度場(chǎng)（布置4層冷卻水管）

圖2 承臺(tái)溫度場(chǎng)（布置5層冷卻水管）

從計(jì)算結(jié)果可知：混凝土澆筑后，內(nèi)部溫度在3 d后達(dá)到峰值，布置4層水管時(shí)最高溫度達(dá)到74.2℃，布置5層水管時(shí)最高溫度達(dá)到70.0℃。溫升期過后進(jìn)入溫降期，初期降溫速度較快，隨后逐漸減緩至15～20 d后降溫平緩。布置4層水管時(shí)第2，3層冷卻水管之間混凝土（厚1.8 m）為高溫區(qū)域。布置5層水管時(shí)高溫區(qū)域?yàn)槌信_(tái)底部混凝土，鋼圍堰底部為3.0 m厚的混凝土層，造成承臺(tái)底部混凝土溫度交換較其他區(qū)域緩慢。

通過比較可知，布置5層冷卻水管的溫控效果明顯好于布置4層冷卻水管。

3.2 邊界約束分析

布置5層冷卻水管，四周有約束時(shí)：①承臺(tái)中心處與頂部主拉應(yīng)力超標(biāo)，最大拉應(yīng)力達(dá)到5.74 MPa，抗裂驗(yàn)算不滿足要求；②冷卻水管之間的混凝土拉應(yīng)力超過允許值，最大拉應(yīng)力值達(dá)到5.58 MPa，抗裂驗(yàn)算不滿足規(guī)范要求。四周解除約束時(shí)：①承臺(tái)中心處與頂部混凝土主拉應(yīng)力值皆小于抗拉極限強(qiáng)度，最大拉應(yīng)力值為2.05 MPa，抗裂驗(yàn)算滿足要求；②冷卻水管之間的混凝土拉應(yīng)力小于混凝土抗拉極限值，應(yīng)力值最大為1.97 MPa左右，抗裂驗(yàn)算滿足要求。

由比較可知：承臺(tái)四周不設(shè)置約束時(shí)應(yīng)力場(chǎng)分布合理，混凝土拉應(yīng)力均小于抗拉強(qiáng)度。

3.3 溫度控制措施

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合漢江大橋主墩承臺(tái)整體澆筑實(shí)際情況，提出如下溫控措施：

（1）冷卻水管采用對(duì)稱布置，進(jìn)水口布置在承臺(tái)四周的中部，每一層冷卻水管交叉布置，冷卻水管的水流方向根據(jù)承臺(tái)實(shí)際情況進(jìn)行改變。

（2）在承臺(tái)中間層增設(shè)冷卻水管，減緩水泥水化熱集聚效應(yīng)。

（3）不以鋼圍堰壁為模板，應(yīng)單獨(dú)立模，模板與鋼圍堰壁留有一定間隙，允許承臺(tái)混凝土因?yàn)闇囟茸兓a(chǎn)生溫度變形。

（4）為防止最高溫度超過規(guī)范限值75℃，加快冷卻水的循環(huán)速度，降低混凝土內(nèi)部溫度。同時(shí)應(yīng)防止冷卻水管周圍混凝土驟冷，局部產(chǎn)生較大的應(yīng)力，宜提高冷卻水管進(jìn)水口溫度（將部分出水口水管接入進(jìn)水箱）。

（5）當(dāng)冷卻水管進(jìn)出水口溫差接近規(guī)范限值10℃時(shí)，提高冷卻水管進(jìn)水口水溫（將部分出水口水管接入進(jìn)水箱），以減小進(jìn)出水口溫差。

4 實(shí)測(cè)溫控?cái)?shù)據(jù)分析

4.1 溫控測(cè)點(diǎn)布置原則

溫度測(cè)點(diǎn)根據(jù)溫度場(chǎng)的分布規(guī)律進(jìn)行布置：①?gòu)耐庵羶?nèi)混凝土溫度逐漸升高，至混凝土外表面200 c m處達(dá)到高溫區(qū)；②200 c m至中心區(qū)域溫度相對(duì)恒定；③從混凝土外表至200 c m左右溫度梯度逐漸增大。溫度測(cè)點(diǎn)應(yīng)能測(cè)出大體積混凝土溫度場(chǎng)及分布規(guī)律，溫度測(cè)點(diǎn)布置見圖3。

圖3 承臺(tái)溫度測(cè)點(diǎn)布置圖（單位：c m）

4.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

選取具有代表性的第二層1～5號(hào)測(cè)點(diǎn)和第三層6～10號(hào)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)溫度見表2。第二層測(cè)點(diǎn)（2號(hào)）最高溫度為66.2℃，第三層測(cè)點(diǎn)（7號(hào)）最高溫度為65.3℃，計(jì)算最高溫度為70.0℃，實(shí)測(cè)最高溫度小于計(jì)算值。

以測(cè)點(diǎn)最高溫度為縱坐標(biāo)、以測(cè)點(diǎn)離側(cè)面的距離為橫坐標(biāo)作出測(cè)點(diǎn)隨位置變化的溫度梯度圖，見圖4。2號(hào)和7號(hào)為溫度最高點(diǎn)，離側(cè)面200 c m處，承臺(tái)中心測(cè)點(diǎn)由于離冷卻水管較近，并不是最高溫度測(cè)點(diǎn)，離表面5，30，80 c m 3個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度梯度明顯增大，這一點(diǎn)與大體積混凝土溫度分布規(guī)律吻合，溫度測(cè)點(diǎn)的時(shí)程曲線見圖5。混凝土內(nèi)部溫度變化經(jīng)歷升溫期、降溫期、穩(wěn)定期3個(gè)階段，最高溫度出現(xiàn)在混凝土澆筑完成后72 h左右。性，能節(jié)省工期和人力物力，但水泥水化熱引起混凝土內(nèi)部溫度和溫度應(yīng)力變化較分層澆筑劇烈，產(chǎn)生溫度裂縫的可能性也更高。本文通過分析大體積混凝土溫度裂縫產(chǎn)生的力學(xué)機(jī)理，結(jié)合鄖十高速公路漢江特大橋的實(shí)際情況，采用Midas／Civil結(jié)構(gòu)計(jì)算程序的水化熱分析模塊模擬計(jì)算承臺(tái)整體澆筑的過程，提出控制混凝土內(nèi)部最高溫度、延緩混凝土降溫速率、改善約束等溫控措施，溫度控制效果較好，證明文中提出的溫控措施可行，也為橋梁結(jié)構(gòu)大體積混凝土承臺(tái)整體施工積累了經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)資料。

表2 測(cè)點(diǎn)溫升期實(shí)測(cè)溫度℃

圖4 1～10號(hào)測(cè)點(diǎn)隨位置變化溫度梯度

圖5 測(cè)點(diǎn)溫度時(shí)程曲線

承臺(tái)整體澆筑后，根據(jù)擬定的溫度控制措施進(jìn)行溫度控制，結(jié)合承臺(tái)混凝土實(shí)測(cè)溫度及時(shí)調(diào)整冷卻水管水流速度和方向，并做好混凝土養(yǎng)護(hù)工作，溫控工作結(jié)束后承臺(tái)表面未產(chǎn)生溫度裂縫。

5 結(jié)語(yǔ)

大體積混凝土承臺(tái)整體澆筑能提高承臺(tái)整體

［1］ 代遲書.大體積混凝土溫度控制參數(shù)敏感性仿真分析［J］.交通科技，2013（4）：9-12.

［2］ 謝先坤.大體積混凝土結(jié)構(gòu)三維溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)有限元仿真計(jì)算及裂縫成因機(jī)理分析［D］.南京：河海大學(xué)，2001.

［3］ 朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，1998.

［4］ 王亞斌.大體積混凝土溫度預(yù)測(cè)與裂縫控制［J］.橋梁建設(shè)，1997（4）：44-47.