田仲初，寧琛，馬連楓，鐘忠，許斌林

（1.長沙理工大學 土木工程學院，湖南 長沙 410114；2.中交第一公路工程局有限公司，北京市 100024）

0 引言

在中國已建成及在建的高速公路橋梁中，連續(xù)剛構橋的數(shù)量比重非常大，常用高墩以弱化墩的剛度，從而減小梁收縮對墩產(chǎn)生的次內(nèi)力。墩身有著較高的高度，而混凝土重度較大，所以產(chǎn)生的自重較大，因此墩臺基礎施工是此類橋梁的重點關注工序。在連續(xù)剛構橋中，大部分設計都是以樁基礎配合承臺，承臺作為樁基礎和橋墩的連接構件，其混凝土用量大，起著“承上啟下”的作用。在承臺施工過程中，水泥凝結和硬化會釋放大量水化熱，且混凝土導熱性差，內(nèi)部水化熱不易傳導至外部，但表面熱量散發(fā)較快，則會導致溫度梯度的出現(xiàn)，使結構產(chǎn)生溫度應力，引起開裂，降低耐久性。對于承臺水化熱問題，中國許多學者分析了最高溫度，溫度梯度，最大應力，以保證承臺整體的質(zhì)量，但對冷卻水管附近的局部應力研究較少。冬季施工的承臺因氣溫低，表面熱量散失得更快，更易產(chǎn)生表面開裂。承臺深層裂縫的產(chǎn)生可能來自冷卻管周圍自約束效應，多產(chǎn)生于升溫期，由于水冷帶走熱量，導致管壁周圍混凝土產(chǎn)生過大收縮，內(nèi)部混凝土約束其變形，引起沿管壁的開裂［1］。鑒于此類問題，因此施工前要進行承臺大體積混凝土水化熱分析，冬季施工中不僅要對整體的水化熱進行控制與監(jiān)測，還應在冷卻管局部布置測點，同時更要注意表面的養(yǎng)護和內(nèi)部的降溫。該文針對此類問題進行研究。

1 工程概述

橋址區(qū)位于余慶縣龍溪鎮(zhèn)跨越小烏江，橋梁與小烏江呈大角度斜交，走向約163°。小烏江走向整體呈南西至東北向。主橋跨徑組成為（70+130+130+70）m，采用二次拋物線變截面箱梁，為預應力混凝土連續(xù)剛構橋。右幅橋4#～6#橋墩、左幅橋6#～8#橋墩為主橋橋墩，采用等截面矩形實體雙肢薄壁墩，在其底部設有V 形開口的加勁板，肢間縱向凈間距為5 m，單肢矩形截面尺寸為9 m×2.5 m。左、右幅主橋都采用分離式承臺，樁徑為2.0 m 的鉆孔灌注樁作為基礎，樁基排列為橫向3 排、縱向3 排，每個承臺下方共計9 根摩擦樁。承臺長寬均為12.2 m，高4.5 m，混凝土用量為669.78 m3，采用C30 混凝土依次澆筑所有承臺。

2 承臺溫度控制措施和指標

2.1 溫度控制措施

承臺頂部混凝土暴露于空氣中，且此處風速較大，為避免冬季氣溫較低可能引發(fā)的頂面混凝土開裂現(xiàn)象，采用工程布墊于承臺頂面作為第一層，再用棉被覆蓋在其上方，互相搭接，使敞露的承臺表面覆蓋嚴密，營造良好的保溫養(yǎng)護環(huán)境，同時保持工程布內(nèi)有凝結水。避免模板拆除時溫度驟降引起溫度裂縫，提前準備好棉被和彩條布用以即時養(yǎng)護。

在內(nèi)部布置冷卻水管，直徑為35 mm，豎向每層的間距為1.25 m，采用循環(huán)水，控制進水溫度，水箱直徑1.5 m，高2 m。在低水位布置水箱，即水箱位置低于冷卻管高度，進出水口利用接頭連接軟管，減少水循環(huán)時水的損失。用小功率的水泵將水箱中的水壓入進水口，出水口通過水位差的壓力加速循環(huán)。水經(jīng)過承臺內(nèi)部吸收熱量后將熱量帶入水箱，從而緩慢提高水箱溫度，進而提高進水口溫度。防止冬季水溫過冷，水冷帶走大量熱量，導致管壁周圍混凝土產(chǎn)生過大收縮，內(nèi)部混凝土約束其變形，引起的沿管壁開裂［2］。

2.2 溫度控制指標

通過初步溫度控制理論分析，結合相關規(guī)范［3］和文獻［4-8］，制定適應本承臺施工的溫度控制標準：①承臺最高溫度≤60 ℃；②承臺里表溫差≤25 ℃；③承臺降溫速率≤22.0 ℃/d；④控制入水口溫度≤30 ℃，進出水管的溫差≤12 ℃。

3 模型建立

3.1 計算參數(shù)的選取

因為外業(yè)現(xiàn)場試驗條件受限，未進行混凝土相關熱參數(shù)的試驗，依據(jù)大體積混凝土水化熱方案計算單與熱工參數(shù)手冊及相關文獻選取有限元仿真模型參數(shù)［9-13］。本次承臺C30 混凝土的比熱取9 506 J/（kg · ℃），熱膨脹系數(shù)取1.0×10-5/℃，傳導率取2.8 W/（m · ℃），泊松比為0.2，暴露表面對流系數(shù)取13.955 6 W/（m2·℃），數(shù)值分析時采用Kim 等［14］提出的線單元解耦算法進行模擬，用線單元建立冷卻管，通過共同節(jié)點來實現(xiàn)水管與承臺混凝土的熱交換。恒溫地基溫度取8 ℃，并考慮其具有比熱和熱傳導性，可以反映承臺與地基的水化熱傳遞過程。根據(jù)實際測量值設置環(huán)境溫度函數(shù)。冷卻水管直徑35 mm，流量0.871 m3/h，冷卻水對流系數(shù)取371.667 W/（m2· ℃），混凝土入模溫度取11.5 ℃。承臺混凝土理論材料用量及配合比見表1。

表1 主墩承臺材料用量 kg/m3

由表1 可知其配合比為：水泥∶砂∶碎石∶水∶外加劑=1∶2.716∶3.323∶0.518∶0.012。

3.2 有限元模型的建立

由于本承臺冷卻水循環(huán)方向非對稱，為準確進行計算分析，針對承臺與地基建立整體模型，尺寸為12.2 m×12.2 m×4.5 m。承臺模型采用Midas/Fea中的8 節(jié)點實體單元建模，全承臺水化熱模型節(jié)點共108 819 個，單元共105 516 個，在冷卻管附近對網(wǎng)格進行了加密，便于提取冷卻管附近的應力值。地基忽略樁基礎對承臺的影響，地基底面與四周采用一般約束。承臺混凝土有限元模型圖及冷卻管布置圖如圖3、4 所示。

圖3 有限元模型圖

圖4 冷卻水管布置圖

3.3 計算結果

通過降低入水溫度對降低混凝土內(nèi)部溫度作用有限，但入水溫度過低會導致混凝土內(nèi)部冷卻水管周圍形成較大溫差，從而使應力增加［13］。冬季水溫較低，但循環(huán)水會不斷提高水溫，所以對可能出現(xiàn)的水溫情況進行分析，針對性地研究5 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃和30 ℃6 種不同入水溫度情況，提取其對應的內(nèi)部最高溫度和冷卻水管附近應力。結果如圖5、6 所示。

圖5 承臺冷卻水管附近應力時程曲線

圖6 承臺內(nèi)部最高溫度時程曲線

由圖5、6 可知：

（1）入水溫度為5 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃和30 ℃時，承臺內(nèi)部最高溫度分別為52.81 ℃、53.55 ℃、54.32 ℃、55.14 ℃、55.99 ℃和56.90 ℃，溫度每降低5 ℃，最高溫度降低的百分比為1.38%、1.42%、1.49%、1.52%和1.60%。對應的冷卻水管附近混凝土最大拉應力分別為2.74 MPa、2.61 MPa、2.50 MPa、2.41 MPa、2.33 MPa 和2.27 MPa，溫度每降低5 ℃，最大拉應力提升的百分比為2.64%、3.43%、3.73%、4.40%和4.98%，反映降低入水溫度對混凝土內(nèi)部的降溫作用有限，但對拉應力的提升明顯，為了防止承臺沿著管壁開裂出現(xiàn)深層裂縫，建議冬季承臺施工時冷卻水管入水溫度不應低于5 ℃。

（2）過低的入水溫度不僅會對最大拉應力造成影響，還會影響到一開始的冷卻管附近混凝土的初始應力。同時，過高的溫度也會造成冷卻管附近混凝土的初始拉應力較大，其原因可能是混凝土入模溫度相比于冷卻水溫度較低，形成的反向溫差導致拉應力的產(chǎn)生，在25 ℃以上較為明顯，所以冬季大體積混凝土施工時入水溫度應保持為10～25 ℃為宜。

4 溫度場的監(jiān)測

4.1 傳感器的布置

為了準確監(jiān)控混凝土內(nèi)部溫度場的改變量，從而對混凝土的養(yǎng)護起反饋指導作用，務必在承臺混凝土內(nèi)布設合理的測溫元件進行測溫采樣。根據(jù)初步理論模型的計算結果，為了更真實地反映混凝土內(nèi)部的溫度場，在右幅6#承臺的1/4 結構中埋置溫度傳感器，在每層的中心點，距離中心點沿順橋向方向302.5 cm、605 cm 處以及距離中心點沿橫橋向302.5 cm、605 cm 各1 個，共5 個；由縱向開始，對同一層的橫向傳感器分別編號為1、2、3、4 和5 號；距承臺底部每5 cm、115 cm、225 cm、335 cm、445 cm、各一層，共5 層，從上至下分別為A、B、C、D 和E 層，總共25 個測點。兼顧底面、中心和頂面，以應對冬季氣溫溫度驟降等不利工況產(chǎn)生。測點具體布置如圖7、8 所示。

圖7 測點布置俯視圖（單位：cm）

圖8 測點布置側(cè)視圖（單位：cm）

為了防止傳感器線路被混凝土澆筑時打斷和振搗時的撞擊損壞，將豎向埋置的溫度傳感器固定在鋼筋上，將線沿著鋼筋從上方伸出。

4.2 測試方法

從混凝土結構澆筑開始至混凝土結構澆筑施工完成后14 d 都應是承臺澆筑監(jiān)測的工作時間，依據(jù)養(yǎng)護期間混凝土的溫度測量數(shù)據(jù)采取對應的采樣頻率。目前的資料與文獻表明，大部分大體積混凝土水化熱的釋放是在澆筑完成后的72 h 內(nèi)完成，所以在承臺澆筑完成后的72 h 內(nèi)采取高頻率測試采樣，從初凝開始每間隔2～3 h 進行一次溫度采樣，避免錯過峰值溫度；當承臺達到峰值溫度后每間隔4～5 h 采樣一次；承臺溫度下降斜率較為平緩后，每間隔8～12 h 采樣一次，環(huán)境溫度的測量至少應保證中午與晚上各一次。在14 d 之后，待承臺附近環(huán)境溫度與承臺內(nèi)部溫度差值小于25 ℃時停止溫度監(jiān)測。監(jiān)測工作需要記錄的數(shù)據(jù)包含承臺混凝土內(nèi)部溫度傳感器的溫度值、冷卻管入出水口的溫度值、環(huán)境溫度值、混凝土表面溫度值。

4.3 溫度場監(jiān)測結果分析

混凝土澆筑完成后，承臺頂部混凝土稍微硬化，即初凝后，開始進行溫度采樣。經(jīng)過高頻率的監(jiān)測，獲得了許多數(shù)據(jù)，限于篇幅，選擇具有代表性（溫度峰值出現(xiàn)的地方）的D 層和2 號處，分析其溫度監(jiān)測結果及內(nèi)表溫差，坐標“0”點代表澆筑完成的時間。監(jiān)測結果如圖9～12 所示。

圖9 D 層橫向測點溫度曲線

由圖9、11 可知：承臺混凝土內(nèi)部實測最高溫度為52.9 ℃，未超過溫度容許值60 ℃，總體上符合承臺內(nèi)部混凝土溫度的變化趨勢。D1、D5 和E2 溫度普遍較低，說明承臺表面水化熱容易受到外界環(huán)境熱交換的影響；由圖10、12 可知：橫向溫度內(nèi)部測點溫差較小，而豎向溫差較為均勻，在連續(xù)剛構橋承臺尺寸中，長和寬一般都大于高墩，進一步說明承臺橫向散熱慢，豎向散熱良好，在冬季承臺施工中，即使鋼模板沒有拆除，也應在承臺四周表面采取必要的保溫養(yǎng)護措施。

圖10 D 層橫向測點溫差曲線

圖11 2 號豎向測點溫度曲線

圖12 2 號豎向測點溫差曲線

4.4 計算與監(jiān)測結果對比

根據(jù)進水箱水溫測量結果，采用3 次拋物線擬合，算出均值為25.46 ℃，遂采用25 ℃入水溫度模型計算理論值與實測值進行對比，用以驗證。結果如圖13 所示。

圖13 最高溫度理論值與計算值比較

由圖13 可知：實測最高溫度在澆筑完成108 h 左右出現(xiàn)，為52.7 ℃，而仿真計算模型也在澆筑完成108 h 左右出現(xiàn)最高溫度56.0 ℃，承臺峰值溫度實測值比計算值低3.3 ℃，相差5.9%。前半段（上升段）的差異主要是因為入模溫度的測量組數(shù)較少，未能準確地反映混凝土的入模溫度，最高點及后半段的差異主要是因為水溫的上升導致內(nèi)部散熱能力的減弱以及模型的絕熱溫升值考慮稍微保守。若能在計算軟件中引入變化的冷卻水溫輸入功能，最終復核的仿真計算結果將更為準確。

5 結論

利用有限元仿真計算軟件Midas/Fea 建立小烏江大橋承臺的仿真模型，對不同水溫情況下的最高溫度和冷卻管附近拉應力進行了監(jiān)測分析，制定了相應提高入水溫度的措施，通過高頻率溫度監(jiān)測采樣數(shù)據(jù)與仿真計算值比對分析，得出以下結論：

（1）降低冷卻管入水溫度能降低混凝土內(nèi)部最高溫度，但不如冷卻水管附近拉應力峰值的增長幅度大，說明降低入水溫度對混凝土內(nèi)部降溫作用有限，冬季承臺施工，冷卻水溫應高于5 ℃。

（2）較高或較低的入水溫度均能對承臺澆筑初期造成一個小的拉應力峰值，隨后迅速降低。

（3）承臺內(nèi)部最高位溫度在澆筑后4～5 d 達到最大值52.7 ℃。溫降速率遠小于溫升速率，混凝土水化熱熱量釋放時間相對集中在前3～4 d。實測溫度場的變化走向與仿真計算結果契合良好，表明仿真模型能較準確地模擬整個承臺水化放熱過程，實測混凝土的里表溫差、進出水溫度等各項溫控指標滿足相關規(guī)范要求。

（4）大橋承臺峰值溫度實測值與仿真模型計算值基本吻合。說明線單元建立冷卻管，板式構造模擬地基是可行的，采用的熱力學參數(shù)和邊界條件能較好地符合現(xiàn)場實際情況。

（5）建議在冬季澆筑承臺混凝土時，應在5 d 左右拆除模板，并對四周采取保溫措施；對冷卻水溫度進行高頻率監(jiān)控確保水溫不超過理論閾值，可采用循環(huán)水箱提高溫度；在冬季承臺水化熱監(jiān)控時，應在冷卻管附近混凝土中增設應力傳感器進行應力監(jiān)測，以防止深層裂縫的出現(xiàn)。