宣曉東，劉 鵬，歐陽華

（1.中交一公局第八工程有限公司，天津市300000；2.中交一公局橋隧工程有限公司，湖南 長沙410114）

0 引 言

在深水大跨徑橋梁建設中，需要大尺寸橋墩承臺來承擔大跨高墩橋梁的承載力、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)整體剛度等要求[1-4]。然而，混凝土在澆筑后因水泥水化凝結(jié)而在短時間內(nèi)產(chǎn)生大量的水化熱[5]，且混凝土熱傳導性較差，致使混凝土內(nèi)外溫差較大（通常可達20～50 ℃）[6-8]，產(chǎn)生內(nèi)外應力差，在混凝土塑性收縮過程中最終產(chǎn)生裂縫[9]，影響混凝土構(gòu)件的力學性能和使用壽命。因此，在深水大跨徑橋梁的大體積承臺混凝土澆筑施工前，研究實例工程在施工方案下的水化放熱過程、影響因素與影響效應，并針對性地提出溫控措施，對于減小大體積承臺混凝土溫度應力裂縫，保證橋梁施工、運營安全具有十分積極的意義。

目前，常見的控制大體積承臺混凝土溫度應力裂縫的工程措施主要有3 類[10-12]：（1）采用工程措施促進混凝土內(nèi)、外部的熱傳遞，常見的措施主要有預埋冷卻水管道法；（2）直接降低混凝土內(nèi)外溫差，主要的方法有采用冰水拌和；（3）優(yōu)化施工原材料，包括外摻添加劑等措施。其中，預埋冷卻水管道法是最常用、最直接有效的方法。

本文以重慶市三環(huán)線合川到長壽段龍溪嘉陵江大橋9# 墩承臺施工為實例工程，研究冷卻管管徑、冷卻管間距、冷卻管通水量等因素對降低實例工程9# 墩承臺混凝土溫度及溫度應力的作用規(guī)律，并研究設計方案冷卻水管布設的合理性。

1 實例工程概況

1.1 實例工程簡介

龍溪嘉陵江特大橋為重慶市三環(huán)高速合川至長壽段的控制性工程，連接了合川、北碚、渝北、長壽等大中城市，為重慶高速集團長合公司與合川區(qū)政府合建項目，投資金額為37890 萬元。龍溪嘉陵江特大橋于合川區(qū)下游的龍洞沱河段跨越嘉陵江，道路等級為雙向4 車道高速公路+ 雙向4 車道市政路+人行道，設計速度為80 km/h（高速）、40 km/h（市政），橋梁寬度為43.5 m，跨徑布置為3×30 m+4×30 m 預應力混凝土T 梁+108 m+200 m+108 m 預應力混凝土連續(xù)剛構(gòu)+5×30 m+5×30 m+4×30 m 預應力混凝土T 梁，橋梁全長1053 m。下部結(jié)構(gòu)主墩、過渡墩及引橋6 號墩采用實體墩，樁基礎；其余引橋墩采用柱式墩，樁基礎；橋臺采用肋板臺，樁基礎。

1.2 主跨9# 墩承臺設計

主橋9# 主墩采用整體基礎，承臺為圓端形，平面尺寸44.5 m×14.5 m×5 m，樁基采用19 根直徑2.8 m 的鉆孔灌注樁，按嵌巖樁設計。承臺的冷卻水管平、立面布設見圖1。

1.3 混凝土重要參數(shù)

大體積混凝土配合比設計原則是配制出絕熱溫升小、抗拉強度較大、極限拉伸變形能力較大、熱強比小、線脹系數(shù)小[5]，自生體積變形最好是微膨脹，至少是低收縮的混凝土?；炷僚浜媳劝凑盏蜕奥?、低坍落度、低水膠比、摻高效減水劑和高性能引氣劑、高粉煤灰摻量的設計原則進行設計。

圖1 嘉陵江特大橋9# 墩承臺冷卻水管平、立面布置圖（單位：cm）

實例工程承臺基礎構(gòu)造尺寸大，承臺采用C35混凝土。對承臺大體積混凝土進行溫控計算，混凝土配合比見表1。

表1 9# 承臺基礎C35 混凝土配合比 單位：kg/m3

1.4 承臺施工過程介紹

實例工程位于西部山區(qū)河流段，橋位處歷年最高水位為208.500 m，最低水位為185.100 m，最大水位差為23.4 m，水深可達28～50 m，屬于內(nèi)河大型深水基礎。為克服大水位差、大水深、年際沖淤位置變化大、夏季汛期暴雨集中等不利自然條件，創(chuàng)造施工環(huán)境，實例工程采用鋼吊箱圍堰型式。實例工程封底混凝土底標高186.70 m，厚2.5 m，采用C30 水下封底混凝土。

同時，實例工程9# 墩承臺高度為5 m，承臺混凝土標號為C35，澆筑總方量為996.35 m3。

1.5 監(jiān)測點布置方案

實例工程監(jiān)測點布置方案如下：

（1）沿豎直方向共分為上、中、下3 層，每層均布設24 個測點，每層測點布設位置均一致。

（2）所有測點均綁扎在骨架鋼筋上。

（3）每個測點上布設1 個測溫儀和2 個應變計。因此，實例工程共設置72 個測點、72 個測溫儀和144 個應變計。

2 三維模型建立及驗證

對大體積混凝土而言，混凝土開裂最主要的原因是干縮和溫度應力?；炷恋哪Y(jié)和硬化是水泥與水之間發(fā)生化學和物理變化的結(jié)果[3]。大體積混凝土澆筑后由于水泥水化放熱作用，將經(jīng)歷誘導期、升溫期、降溫期和穩(wěn)定期4 個階段[6]，在這4 個階段中，混凝土的體積亦隨溫度的升降而相應膨脹或收縮，各塊混凝土體積變化受到約束時就會產(chǎn)生溫度應力，如果該應力超過混凝土的抗裂能力，混凝土就會開裂。

為研究承臺澆筑施工過程中冷卻管的降溫效果，以及冷卻管設置參數(shù)變化對冷卻效果的具體影響，本文考慮借助邁達斯軟件FEA 版塊建立三維有限元模型進行對比分析。

2.1 基本方程

2.1.1 絕熱溫升計算

水化熱函數(shù)采用朱伯芳院士提出的三參數(shù)指數(shù)函數(shù)的形式[6]，絕熱溫升T（t）為：

式中：W 為單位體積混凝土的膠凝材料用量；Q 為單位質(zhì)量水泥產(chǎn)生的水化熱，C35 混凝土水化熱為375 kJ/kg；C 為混凝土的比熱容，C35 混凝土的比熱容取0.90～0.95；ρ 為混凝土密度，C35 混凝土密度為2500 kg/m3；m 為澆筑混凝土系數(shù)，實例工程取0.35；t 為混凝土齡期。

經(jīng)計算，實例工程混凝土的最大絕熱升溫值為59.76 ℃。

2.1.2 彈性模量

混凝土彈性模量E（τ）隨時間τ 的增長曲線采用四參數(shù)雙指數(shù)形式[7]，表達式如下：

式中：E0為混凝土初始彈性模量；E1為混凝土彈性模量增加量，即混凝土最終彈性模量與初始彈性模量之差；α、β 分別為與彈性模量增長速率相關的2個參數(shù)。

2.1.3 徐變度

根據(jù)文獻[13]，混凝土徐變度C（t，τ）按照下式取值：

2.2 主要技術參數(shù)

2.2.1 混凝土物理力學參數(shù)

承臺混凝土設計強度為C35，封底混凝土為C30，混凝土強度參考值按經(jīng)驗取值，結(jié)果見表2。

表2 混凝土物理力學性能參數(shù)值

2.2.2 模型主要計算參數(shù)

水冷管采用直徑40 mm 鋼管。水冷管通水時間為10 d，冷卻水管流量為1 m3/h。模型中用到的計算參數(shù)還有：封底混凝土的強制溫度15 ℃、混凝土入模溫度25 ℃；另外，由于承臺施工期間環(huán)境溫度變化難以推測，根據(jù)工程建設區(qū)域施工前1年（2018年）7月份氣溫情況，采用正弦函數(shù)來模擬1 d 內(nèi)的溫度變化，其中溫度最高值為40 ℃，最低值為24 ℃。模型主要計算參數(shù)見表3。

表3 模型主要計算參數(shù)表

2.3 三維模型建立

采用邁達斯軟件建立三維有限元模型，并采用三維模型建立結(jié)果見圖2。

圖2 三維模型建立與網(wǎng)格劃分

2.4 三維模型計算結(jié)果驗證

取35# 測點（位于中層）為代表，分析實例工程在設計方案下，施工過程中溫度值及應力值變化比較，比較結(jié)果見圖3。

圖3 實例工程計算精度對比圖

經(jīng)過大量實測數(shù)據(jù)分析，在2275 組實測、計算數(shù)據(jù)中（包括應變、溫度），計算誤差在10%以內(nèi)的數(shù)據(jù)1744 組，占比為76.7%；計算誤差在20%以內(nèi)的數(shù)據(jù)共1899 組，占比為83.5%?？梢姳疚臄?shù)模計四邊形網(wǎng)格劃分計算區(qū)域。算結(jié)果與實例工程實測結(jié)果較為相似，能夠很好地反映真實情況。

3 三維模型計算結(jié)果分析

3.1 冷卻管降溫效果分析

采用有冷卻管、無冷卻管2 種模型進行建模分析，定量判斷冷卻管的降溫效果。經(jīng)數(shù)模計算分析，承臺水化熱在前240 h 變化較明顯，之后趨于穩(wěn)定。因此本文選擇50 h、140 h、220 h 作為典型時段進行分析。為更好地觀察混凝土內(nèi)部溫度分布情況，只取承臺部分區(qū)域進行展示分析，計算結(jié)果見圖4。

圖4 冷卻管降溫效果過程云圖

由圖4 可知：

（1）在不埋設冷卻管情況下，混凝土內(nèi)部溫度升溫迅速，降溫緩慢，直到215 h 才達到最大溫度（47.2 ℃）。埋設冷卻管后，混凝土內(nèi)部溫度升溫迅速，但由于冷卻管作用，混凝土內(nèi)部溫度快速下降；在79.2 h 達到最大溫度26.8 ℃，比不埋設冷卻管工況提早了135.8 h，大幅減少了混凝土高溫持續(xù)時期，同時最大溫度也減少了20.4 ℃。埋設冷卻管后，對混凝土外部溫度也略有影響，但影響相對較小。

（2）埋設冷卻管后，混凝土內(nèi)外最大溫差由28.8 ℃下降至15.2 ℃，減少了13.6 ℃，有效緩解了混凝土內(nèi)外溫度應力差值。

（3）配置冷水管后，混凝土內(nèi)溫度明顯變均勻?；炷羶?nèi)部，尤其是冷卻管周邊區(qū)域溫度下降明顯。

埋設與不埋冷卻管的不同工況下，冷卻管降溫效果對比統(tǒng)計見表4、圖5。

表4 冷卻管降溫效果對比統(tǒng)計

圖5 冷卻管降溫效果統(tǒng)計對比圖

以140 h 為代表，有冷卻管、無冷卻管2 種模型下的承臺混凝土最大應力云圖見圖6；2 種模型下的承臺混凝土最大主應力變化過程見圖7。分析可知：

（1）設置冷卻水管前，實例工程最大應力達到2.39 MPa，遠大于C35 混凝土最大拉應力1.52 MPa的臨界要求，且在澆筑后220 h 時還呈緩慢增大趨勢，如此將持續(xù)造成承臺混凝土開裂。

（2）設置冷卻水管后，由于冷卻管有效減小了混凝土內(nèi)部溫度，從而大幅減小了混凝土內(nèi)部應力。在圖7 工況下，混凝土內(nèi)部最大應力由2.39 MPa 減小為0.66 MPa，遠小于1.52 MPa 的臨界要求。

3.2 冷卻水流量影響

維持冷卻水管管徑為40 mm 不變，設置通水量分別為0.5 m3/h、1.0 m3/h、1.5 m3/h、2.0 m3/h 的4 組對比方案。取模型中間點為研究對象，在不同冷卻水流量下，研究該點溫度變化過程，見圖8。由圖8 可知：

圖6 混凝土澆筑140 h 時最大應力云圖分布情況

圖7 混凝土最大應力變化過程

（1）冷卻水管流量越大，冷卻效果越好。在4 種流量工況下，最大溫度分別為27.3 ℃、26.8 ℃、26.5 ℃、26.3 ℃。

（2）在升溫階段（0～90 h），混凝土內(nèi)部水化熱上升迅速，增大冷卻水管流量對實例工程最大溫度影響十分微弱。在降溫階段（90～220 h），增大冷卻水管流量可以略微降低溫度，但是降低幅度十分有限。當通水量由0.5 m3/h 增大至2.0 m3/h 時，流量增大了1.5 m3/h，增大了4 倍，但是最大溫度僅下降了1℃。

（3）綜合來看，冷卻水流量的增加對整體降溫效果作用有限，且增大冷卻水流量對水泵等機械設備要求較高，耗材增加大，性價比較低。因此，建議實例工程仍維持1.0 m3/h 的設計流量。

圖8 不同冷卻水流量下溫度變化過程

3.3 管徑影響

維持冷卻水通水量為1.0 m3/h，設置管徑分別為35 mm、40 mm、45 mm、50 mm 的4 組對比方案。仍取模型中間點為研究對象，在不同管徑下，研究該點溫度變化過程，見圖9。由圖9 可知：

（1）4 組工況下，最大溫度分別為26.9 ℃、26.8 ℃、26.7 ℃、26.7 ℃?？梢娫龃蠊軓?，對實例工程溫度下降有微弱作用。同時，在降溫階段（90～220 h），增加管徑對混凝土溫度的降低作用略大于升溫階段（0～90 h）。

（2）考慮到管徑增大對降低混凝土溫度作用影響較小，且預埋冷卻水管道管徑過大對施工要求較高，存在施工風險，因此建議維持40 mm 管徑方案。

圖9 不同管徑下溫度變化過程

3.4 管道豎向間距影響

經(jīng)論證，在保證工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和施工可行性前提下，實例工程冷卻水管的最小豎向間距為1.0 m。維持冷卻水通水量為1.0 m3/h，管徑為35 mm，分別設置冷卻水管間距為1.0 m、1.5 m、2.0 m、3.0 m 的4 組對比方案，取模型中間點為研究對象，在不同管道間距下，研究該點溫度變化過程，見圖10。由圖10可知：

（1）4 組工況下，最大溫度分別為26.8 ℃、33.7 ℃、37.1 ℃、42.7 ℃，最大溫度出現(xiàn)時間依次為70.1 h、88.4 h、93.6 h 和122.2 h?？梢姽艿镭Q向間距能顯著降低混凝土內(nèi)部溫度，同時能減小混凝土升溫時間。

（2）合理減小管道間距能有效降低混凝土水化熱溫度，小間距的冷卻水管道布設降溫優(yōu)勢明顯。設計方案中已經(jīng)采用了最小豎向間距，布設合理。

圖10 不同管道間距下溫度變化過程

3.5 推薦方案與規(guī)范符合性分析

經(jīng)上述分析，認為設計方案（采用埋設冷卻水管方案，水冷管采用直徑40 mm 鋼管；水冷管通水時間為10 d，冷卻水管流量為1 m3/h，豎向間距設為1.0 m）即為最優(yōu)推薦方案。推薦方案計算結(jié)果符合《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》（GB 50010—2010）要求，分析過程如下：

（1）最大應力。設置冷卻水管后，由于冷卻管有效減小了混凝土內(nèi)部溫度，從而大幅減小了混凝土內(nèi)部應力，最大應力由2.39 MPa 減小為0.66 MPa，滿足規(guī)范中小于1.52 MPa 的臨界要求。

（2）混凝土裂縫比率（法向）。法向裂縫比率= 輸出容許應力/ 產(chǎn)生應力，在保證通水的情況下裂縫比率最小值應大于1.0。經(jīng)計算，實例工程在220 h時，承臺混凝土法向裂縫比率最小值為5.0，滿足要求。

混凝土法向裂縫比率分布云圖見圖11。

圖11 承臺混凝土法向裂縫比率分布云圖

4 結(jié) 語

（1）配置冷水管后，混凝土內(nèi)溫度明顯變均勻，降溫效果明顯，混凝土內(nèi)外最大溫差由28.8 ℃下降至15.2 ℃，減少了13.6 ℃；最大應力由2.39 MPa下降至0.66 MPa。

（2）冷卻水通過量和管徑增大對混凝土溫度下降作用十分微弱，且管徑增大會影響混凝土結(jié)構(gòu)整體性。

（3）減小管道豎向間距可以有效降低混凝土溫度，小間距的冷水管豎向布設降溫效果明顯，在工程造價、設備性能允許且保證混凝土整體穩(wěn)定性的前提下，應盡可能減小管道豎向間距。

（4）經(jīng)研究，設計方案的排水管布設為最優(yōu)方案。在設計工況下，混凝土內(nèi)部最大溫度為26.8 ℃，最大應力為0.66 MPa（滿足小于1.52 MPa 的規(guī)范要求），且混凝土法向裂縫比率均大于5.0（滿足規(guī)范大于1.0 的要求），說明設計方案合理、可行。