梁慧棟

（海東城市建設(shè)開發(fā)投資有限公司，青海海東 810600）

0　引言

隨著橋梁跨度的不斷增大，大體積混凝土結(jié)構(gòu)在橋梁工程中的應(yīng)用也越來(lái)越普遍。水泥發(fā)生水化反應(yīng)時(shí)釋放大量熱量，由于承臺(tái)結(jié)構(gòu)混凝土體表比一般很小，且混凝土導(dǎo)熱性能很差，使得承臺(tái)內(nèi)部混凝土熱量不易釋放[1]。熱量在承臺(tái)內(nèi)部聚集使得混凝土內(nèi)部溫度急劇升高，在承臺(tái)的內(nèi)外部形成很大的溫差，當(dāng)溫差產(chǎn)生的溫度應(yīng)力超過混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，將導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生溫度裂縫。裂縫的出現(xiàn)不僅會(huì)影響結(jié)構(gòu)的外觀質(zhì)量，由于裂縫使得結(jié)構(gòu)內(nèi)部暴露在空氣中，也會(huì)影響結(jié)構(gòu)的抗腐蝕能力和耐久性能；更嚴(yán)重的情況是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載能力減低，影響到結(jié)構(gòu)安全性能[2]。許多大體積混凝土結(jié)構(gòu)尺寸很大，考慮施工便利性和經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)避免設(shè)置過多進(jìn)出水口。此時(shí)，單層冷卻水管長(zhǎng)度往往很長(zhǎng)，為了保證冷卻管的降溫效果，一般采用較低的冷卻水溫度和相鄰冷卻水管的進(jìn)出水口位置和方向交替布置。施工承臺(tái)結(jié)構(gòu)時(shí)，一般選用附近河水作為冷卻水源，而在寒冷季節(jié)河水溫度往往很低。因此，研究低溫冷卻水對(duì)控制冷卻管過長(zhǎng)時(shí)降溫效果不明顯的方法和措施是非常有必要的。

1　工程概況

某市政橋梁主橋?yàn)楠?dú)塔雙索面組合梁斜拉橋，跨徑布置為158 m+45 m+40 m，橋面寬44 m。其中輔跨45 m+40 m，為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，主跨長(zhǎng)158 m，為鋼箱梁，梁高均為3 m。

索塔主墩為群樁承臺(tái)基礎(chǔ)，下塔柱為鋼筋混凝土，上塔柱下部為鋼筋混凝土，上部為鋼制塔柱。樁基Φ150 cm，樁長(zhǎng)L為50 m，呈7排7列布置共49根。承臺(tái)高5m，平面尺寸為27 m×27 m，混凝土采用C40抗硫防腐混凝土，共3 645 m3，屬于大體積混凝土[3]。

2　有限元分析

2.1　有限元模型

按照實(shí)際冷卻水管的布置、管徑、水流大小、承臺(tái)施工和養(yǎng)護(hù)情況等因素，運(yùn)用三維有限元軟件MIDAS/Civil建立主塔樁基承臺(tái)有限元分析模型。模型共計(jì)節(jié)點(diǎn)64 050個(gè)，實(shí)體單元57 832個(gè)，有限元模型見圖1。若將地基的支承條件使用彈簧模擬，則無(wú)法描述混凝土的熱量傳遞給地基的情況。因而將地基模擬為具有一定比熱和熱傳導(dǎo)率的結(jié)構(gòu)[4]。地基尺寸取為36 m×36 m×7 m，距承臺(tái)底1 m處開始每隔1 m布置一層冷卻管，共4層，相鄰層間呈十字交錯(cuò)布置，每層冷卻管橫向間距1 m，單層管長(zhǎng)688 m，每層冷卻管的進(jìn)水口分別位于承臺(tái)4個(gè)角點(diǎn)處。冷卻管布置見圖2。

2.2　計(jì)算參數(shù)

工程實(shí)際的承臺(tái)混凝土配合比見表1。根據(jù)有關(guān)資料[5]，在沒有進(jìn)行熱性能試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)混凝土各組成成分的重量百分比估算混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)λ=8.761 627 3 KJ/（m.h·℃）、比熱c=0.917 883 6 KJ/（kg·℃)和導(dǎo)溫系數(shù)a=3.742×10-3m2·h。水化熱計(jì)算采用復(fù)合指數(shù)式的方法，估算混凝土最大絕熱溫升為59.32℃。根據(jù)施工方案，承臺(tái)混凝土側(cè)面采用6 mm鋼模板，頂面混凝土保溫材料為30 mm厚棉布和兩層0.2 mm厚塑料。保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)見表2。模型環(huán)境溫度取為固定值8℃，地基邊界為固定溫度條件，溫度值取15℃。冷卻水管為Φ57×3 mm鋼管，內(nèi)徑51 mm，水流速度為0.4 m/s，流入溫度7℃，冷卻水管通水時(shí)間250 h。

圖1　承臺(tái)有限元模型

圖2　承臺(tái)冷卻管布置示意圖(單位：m)

表1　承臺(tái)混凝土實(shí)際材料用量及理論配合比　kg/m3

表2　保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)

2.3　理論計(jì)算結(jié)果

通過有限元分析，承臺(tái)在開始澆注70 h后B-2測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)到最高，為53.6℃，該測(cè)點(diǎn)位于承臺(tái)1/4結(jié)構(gòu)的中心位置。計(jì)算得出的承臺(tái)各特征點(diǎn)溫度時(shí)程見圖3，各特征點(diǎn)的位置與現(xiàn)場(chǎng)溫度傳感器的布置位置一致。第一層在距承臺(tái)底高0.5 m，位置為承臺(tái)中心點(diǎn)（C-3）、對(duì)角線距外角點(diǎn)位置1.0 m（A-3）和承臺(tái)中心點(diǎn)和該角連線1/2位置（B-3）各安裝1個(gè)測(cè)溫元件；第二層在距承臺(tái)底2.5 m，第三層在距承臺(tái)底4.5 m位置處，其平面位置與第一層相同。

圖3　承臺(tái)測(cè)點(diǎn)理論溫度時(shí)程圖（單位：℃）

由計(jì)算結(jié)果可得，承臺(tái)各特征點(diǎn)水化熱溫度變化趨勢(shì)一致，且水化熱初期溫度上升速率較大，在70 h左右溫度達(dá)到峰值，隨后溫度開始下降。從圖3可以看出，在冷卻水管停止通水后，溫度下降開始變緩，其中B-2和C-2測(cè)點(diǎn)出溫度出現(xiàn)輕微回升。

在結(jié)構(gòu)模型中以承臺(tái)中心為原點(diǎn)，截取距承臺(tái)底端1.5～2.5 m之間8 m×8 m的結(jié)構(gòu)，其溫度分布云圖見圖4。

圖4　承臺(tái)中心部位溫度分布云圖

從圖3和圖4可以看出，該承臺(tái)的最高溫度并沒有出現(xiàn)在承臺(tái)中心，而是位于1/4結(jié)構(gòu)中心位置附近。由于冷卻管中進(jìn)水溫度較低，通過承臺(tái)中心時(shí)與混凝土之間溫差很大，二者之間熱量交換較多，對(duì)承臺(tái)中心部位降溫效果明顯。由于冷卻管較長(zhǎng)，經(jīng)過較長(zhǎng)路徑的熱循環(huán)后水溫逐漸上升，對(duì)冷卻管出水部位附近的混凝土降溫效果不明顯，導(dǎo)致溫度較高部位偏離承臺(tái)中心。

3　現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

3.1　溫度傳感器布置

考慮結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，只在1/4結(jié)構(gòu)上布置傳感器。承臺(tái)內(nèi)共安裝3層9個(gè)測(cè)溫元件。進(jìn)出水溫度用測(cè)溫計(jì)直接放入水中進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)溫計(jì)放入混凝土表面和覆蓋層之間測(cè)量混凝土表面溫度，測(cè)量大氣溫度時(shí)將溫度計(jì)放入承臺(tái)附近位置，要避免其受承臺(tái)混凝土溫度影響。在安裝測(cè)溫感應(yīng)片時(shí)注意避讓冷卻管，安裝在兩個(gè)冷卻管中間位置。溫度傳感器布置示意見圖5。

3.2　溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

承臺(tái)混凝土從早晨八點(diǎn)開始，到第二天下午五點(diǎn)結(jié)束，歷時(shí)41 h，混凝土澆筑時(shí)每覆蓋一層冷卻管，該層冷卻管即開始通水降溫。由于初期混凝土水化熱溫度變化劇烈，測(cè)試時(shí)間間隔為2 h，后期水化熱溫度變化緩慢，測(cè)試時(shí)間調(diào)整為4 h。將各測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)繪制成時(shí)程曲線，見圖6。從圖6中可以看出，混凝土澆筑階段和養(yǎng)護(hù)初期，溫度上升很快，在混凝土開始澆筑后74 h B-2測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)到峰值，為58.2℃。該測(cè)點(diǎn)位于承臺(tái)1/4結(jié)構(gòu)中心處，與理論計(jì)算結(jié)果一致。實(shí)測(cè)混凝土內(nèi)外溫差均小于20℃，避免了溫度裂縫的出現(xiàn)。

圖5　溫度傳感器布置示意圖（單位：m）

圖6　承臺(tái)測(cè)點(diǎn)實(shí)際溫度時(shí)程圖（單位：℃）

4　結(jié)論

針對(duì)寒冷氣溫條件下施工的大體積承臺(tái)混凝土，考慮到施工便利性和經(jīng)濟(jì)性，以附近河道內(nèi)溫度較低的河水作為冷卻水源；為避免增加過多的冷卻管進(jìn)出水口，采用了較長(zhǎng)的冷卻管管長(zhǎng)，通過理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，可以得到以下結(jié)論：

（1）對(duì)大體積承臺(tái)混凝土采用較長(zhǎng)的冷卻水管管長(zhǎng)時(shí)，宜采用較低的冷卻水溫，并對(duì)相鄰的冷卻管層之間對(duì)調(diào)進(jìn)出水口位置和方向，冷卻水管豎向間距不超過1 m時(shí)，可以有效降低混凝土水化熱溫度。

（2）混凝土水化熱溫度在澆筑初期溫度上升較快，在混凝土開始澆筑74 h左右溫度達(dá)到峰值，最高溫度為58.3℃。

（3）使用較低的冷卻水溫和較長(zhǎng)冷卻管管長(zhǎng)方案對(duì)承臺(tái)混凝土降溫時(shí)，最高溫度并不在承臺(tái)結(jié)構(gòu)中心處，而是偏向于1/4結(jié)構(gòu)中心處。