摘要：大體積混凝土水化熱導(dǎo)致的溫度效應(yīng)直接關(guān)系到橋梁結(jié)構(gòu)的安全和正常使用，為避免混凝土在施工過程產(chǎn)生溫度裂縫，需要在大體積混凝土施工前進(jìn)行水化熱分析，并在施工過程中采取溫度控制措施（以下簡稱溫控措施）。文章以某斜拉橋輔助墩承臺大體積混凝土工程為實(shí)例，采用有限元方法測算承臺中布設(shè)的3層冷卻管對大體積混凝土水化熱的影響，根據(jù)計(jì)算結(jié)果布置承臺溫度測點(diǎn)，并將實(shí)測數(shù)據(jù)與有限元解法進(jìn)行對比分析，結(jié)果顯示兩者符合度較好，可采用有限元解法指導(dǎo)實(shí)際施工。此外，研究發(fā)現(xiàn)將適量粉煤灰中摻入大體積混凝土，可有效降低溫升峰值和延緩溫升峰值的出現(xiàn)，防止混凝土產(chǎn)生溫度裂縫；冷卻管的應(yīng)用有效調(diào)節(jié)了大體積混凝土的溫度場，其降溫效果比未布置冷卻水管的混凝土降低了1 ℃～7 ℃，降溫作用顯著。該研究可用于指導(dǎo)大體積混凝土的設(shè)計(jì)和施工，并為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：大體積混凝土；水化熱；有限元計(jì)算；溫控指標(biāo)

中圖分類號：U445.57" " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " 文章編號：1674-0688（2024）06-0125-04

0 引言

近年來，大體積混凝土結(jié)構(gòu)在橋梁建設(shè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用，大跨徑橋梁的擴(kuò)大基礎(chǔ)、承臺、拱座、錨碇等構(gòu)件均采用大體積混凝土結(jié)構(gòu)，大體積混凝土水化熱造成的溫度裂縫和溫度控制問題日益凸顯。在大體積混凝土結(jié)構(gòu)的施工過程中，水泥的水化作用引起放熱，使混凝土內(nèi)部的溫度迅速升高，而其低導(dǎo)熱性導(dǎo)致熱量積聚難以散發(fā)，與表面快速散熱形成內(nèi)外溫差，進(jìn)而產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土即時(shí)抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會產(chǎn)生裂縫［1-2］。大體積混凝土構(gòu)件具有體積龐大、各類材料用量大、施工周期長、工程條件復(fù)雜、施工技術(shù)要求高的特點(diǎn)，并且其結(jié)構(gòu)大部分暴露在自然環(huán)境中，缺乏遮擋，易受環(huán)境影響，因此相對而言溫度控制難度增加。在有關(guān)大體積混凝土溫控措施的研究中，劉睫等［3］應(yīng)用Ansys有限元軟件計(jì)算混凝土內(nèi)部及表面溫升曲線，通過采用鋪設(shè)冷卻水管的溫控措施降低混凝土內(nèi)部的溫升峰值，使內(nèi)外溫差得到有效控制；陳仲先等［4］結(jié)合某大型橋梁工程實(shí)例，提出采用低熱水泥、減少水泥用量、摻入混合材料替代部分水泥、鋪設(shè)冷卻水管等溫控措施；張超等［5］利用有限元熱流耦合精細(xì)算法，研究采取冷卻水管里的水流與實(shí)施混凝土的相互對流熱交換機(jī)制，提出采用冷卻水管雙循環(huán)的布置方式，使水管的冷卻作用得到了更好的發(fā)揮；張小川［6］分析了大體積混凝土內(nèi)部溫度場和溫度應(yīng)力變化規(guī)律，提出溫度監(jiān)測和裂縫控制的措施；張明雷［7］從大體積混凝土的入模溫控、混凝土內(nèi)部溫升峰值控制及混凝土養(yǎng)護(hù)等方面，對比分析不同溫控措施的優(yōu)劣和經(jīng)濟(jì)性，提出了合理的溫控和防裂方案。在實(shí)際大體積混凝土構(gòu)件施工過程中，溫控指標(biāo)的設(shè)定和溫控措施的制定需滿足規(guī)范要求，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，確保方案既經(jīng)濟(jì)合理又便于施工。本文結(jié)合某斜拉橋輔助墩承臺大體積混凝土施工實(shí)例，闡述大體積混凝土水化熱的計(jì)算方法，根據(jù)計(jì)算結(jié)果布置溫度測點(diǎn)，并將實(shí)測值與有限元解進(jìn)行對比分析。這一研究成果可用于指導(dǎo)大體積混凝土的施工，并為類似大體積混凝土工程溫控措施的制定提供參考。

1 溫度場的有限元計(jì)算原理

不穩(wěn)定溫度場的有限元求解有顯式和隱式兩種解法。隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的快速提升，隱式解法因不受時(shí)間步長的限制而得到越來越廣泛地使用，因此本文也采用隱式解法。

如公式（1）至公式（4）所示，考慮熱傳導(dǎo)方程、邊界條件及初始條件，由變分原理可知，溫度場的有限元計(jì)算問題可等價(jià)于泛函求極值問題，即溫度場[T]在初始時(shí)刻[T0]取初始溫度，在第一類邊界條件[C']上取給定溫度[Tb]，并使公式（5）取極小值。

2 工程概況

2.1 承臺概況

某特大橋主橋?yàn)椋?1+109+320+109+41）m雙塔雙索面鋼-混凝土矮塔斜拉橋，承臺兩側(cè)分別連接簡支梁。斜拉橋主橋的主梁截面形式為單箱雙室直腹板箱梁，橋塔為實(shí)體矩形截面的“H”形鋼筋混凝土塔。輔助墩采用圓端形流線型橋墩，承臺采用C35混凝土，尺寸為15.0 m（橫橋向）×10.2 m（順橋向）×4.0 m（高度），一次澆筑施工，澆筑方量為612 m3，屬于典型的大體積混凝土。表1為輔助墩承臺的混凝土配合比。

結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)并考慮現(xiàn)場的實(shí)際情況，輔助墩承臺采用鋪設(shè)冷水管的溫控措施降低混凝土水化熱導(dǎo)致的升溫溫度。冷卻水管采用50 mm×3 mm規(guī)格的鋼管，共鋪設(shè)3層，豎向間距為1 m，每層各布置1條回路，各層之間采用獨(dú)立的進(jìn)出水管，進(jìn)出水口露出承臺側(cè)面40 cm（見圖1）。

2.2 布設(shè)溫度監(jiān)測點(diǎn)

大體積混凝土施工前，需布設(shè)溫度監(jiān)測點(diǎn)，布設(shè)原則為真實(shí)地反映大體積混凝土的里表溫差、降溫速率和大氣溫度。具體而言，布設(shè)既要兼顧混凝土中心、表層、邊緣及易透風(fēng)的區(qū)域，也要能監(jiān)測到混凝土的入模溫度、底層溫度和大氣溫度；同時(shí)，可以利用結(jié)構(gòu)的對稱性，在對稱的位置不布設(shè)或少量布設(shè)溫度測點(diǎn)以提高監(jiān)測效率。本工程的溫度監(jiān)測點(diǎn)具體按照下列方式布設(shè)：①測區(qū)選取結(jié)構(gòu)平面對稱軸線的半邊分層布設(shè)測點(diǎn)。②根據(jù)混凝土澆筑體溫度場的分布情況和溫控規(guī)定，確定測區(qū)內(nèi)溫度監(jiān)測點(diǎn)的位置與數(shù)量。③每條測試軸線上，測點(diǎn)不少于3處。④沿混凝土高度方向布設(shè)底層、中心和表層溫度監(jiān)測點(diǎn)。⑤大氣溫度監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)量根據(jù)具體需要確定。⑥混凝土表層溫度為混凝土表面以內(nèi)50 mm處的溫度。⑦混凝土底層溫度為混凝土底面以上50 mm處的溫度。

按照以上原則，輔助墩承臺混凝土的縱橋向和橫橋向均選取對稱軸的一半布設(shè)溫度監(jiān)測點(diǎn)，橫橋向布設(shè)1#～5#共5條測線，縱橋向布設(shè)5#～7#共3條測線，沿高度方向每條測線布設(shè)3個(gè)溫度監(jiān)測點(diǎn)（1’～3’），輔助墩承臺混凝土共布設(shè)（5+3-1）×3=21個(gè)溫度監(jiān)測點(diǎn)（見圖2）。

2.3 溫度控制指標(biāo)

輔助墩承臺大體積混凝土溫升峰值、里表溫差等溫度控制指標(biāo)按照《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50496—2018）和《大體積混凝土溫度測控技術(shù)規(guī)范》（GB/T 51028—2015）制訂，具體溫度指標(biāo)控制值見表2。

3 對比分析

3.1 有限元計(jì)算結(jié)果

使用有限元計(jì)算軟件 Midas/ Civil對該橋輔助墩承臺進(jìn)行全過程施工澆筑實(shí)體模擬分析。承臺采用 C35混凝土，通過添加熱源的方式模擬水化熱效應(yīng)，采用管冷的方式模擬冷卻水管的降溫作用，同時(shí)兼顧混凝土的收縮徐變特性，分析計(jì)算混凝土澆筑后各個(gè)階段的變化。輔助墩承臺水化熱及冷卻管模擬有限元圖見圖3。

根據(jù) Midas/Civil 的計(jì)算結(jié)果，在輔助墩承臺大體積混凝土澆筑過程中及澆筑后，承臺最高溫度云圖分布情況見圖4，混凝土內(nèi)部的最高溫度為62.2 ℃。混凝土澆筑后在入模溫度20 ℃的基礎(chǔ)上的溫升值為 42.2 ℃，滿足《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

圖5為輔助墩承臺大體積混凝土澆筑體里表溫差，其中最高里表溫差為 18.0 ℃。根據(jù)《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，混凝土澆筑體里表溫差（不含混凝土收縮當(dāng)量溫度）不宜大于25 ℃，因此滿足規(guī)范要求。

3.2 實(shí)測結(jié)果

輔助墩承臺施工完成后，未出現(xiàn)肉眼可見的裂縫。輔助墩承臺溫度監(jiān)測情況統(tǒng)計(jì)表見表3。

3.3 有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比分析

有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比分析如下。

（1）水化熱有限元模擬計(jì)算中不能充分考慮混凝土的緩凝效率，現(xiàn)場的養(yǎng)護(hù)條件與理論設(shè)定也存在差異，有待進(jìn)一步分析。

（2）雖然溫升峰值未超過規(guī)范值，但是部分溫控指標(biāo)，尤其是前期的降溫速率，超過了控制值，究其原因可能是混凝土澆筑后的養(yǎng)護(hù)不足、混凝土的保溫措施不到位、大氣溫度下降較快。

（3）測點(diǎn)溫度實(shí)測的最大值大于理論計(jì)算值，其原因可能是混凝土的實(shí)際絕熱溫升可能大于預(yù)估值，這與粉煤灰的實(shí)際摻量未達(dá)到原設(shè)計(jì)配合比相關(guān)；實(shí)際入模溫度略高于理論計(jì)算值且時(shí)刻處在變化中。

（4）相近位置的測點(diǎn)溫度相差較大，可能是同一批次澆筑的混凝土水化性能存在較大差別的原因。

（5）雖然各測區(qū)的實(shí)際澆筑時(shí)間存在前后差異，但是在溫度達(dá)到峰值并開始下降的時(shí)間點(diǎn)比較接近，為施工帶來了方便。因此，可考慮同時(shí)停止冷卻水循環(huán)，以免部分區(qū)域出現(xiàn)降溫過快的情況。

4 結(jié)論與建議

本文結(jié)合某橋梁輔助墩承臺大體積混凝土施工實(shí)例，研究了大體積混凝土水化熱有限元計(jì)算及溫控措施，得出的結(jié)論與建議如下。

（1）通過對橋梁輔助墩承臺施工全過程進(jìn)行水化熱溫度場仿真分析，建立了融合收縮徐變、大氣溫度變化、冷卻水管作用的三維有限元實(shí)體模型，模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值吻合度較高。因此，采用計(jì)算機(jī)有限元程序模擬大體積混凝土施工期的水化熱溫度場具有可行性，可用于指導(dǎo)實(shí)際設(shè)計(jì)和施工，能最大限度地降低大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的概率。

（2）在設(shè)計(jì)大體積混凝土配比時(shí)，適量摻加粉煤灰可有效延緩水化熱溫升峰值的出現(xiàn)，有利于保證混凝土的質(zhì)量和防止溫度裂縫的產(chǎn)生。

（3）冷卻水管可以有效調(diào)節(jié)大體積混凝土水化熱引起的溫度場，與無管狀態(tài)相比，設(shè)置冷卻水管后，溫度降低1～7 ℃，降溫效果明顯。

5 參考文獻(xiàn)

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【作者簡介】張文，男，廣西岑溪人，工程師，研究方向：道路工程。

【引用本文】張文.大體積混凝土水化熱有限元計(jì)算及溫控措施探討［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2024（6）：125-128.