桥梁承台大体积混凝土水化热分析及温控措施研究

郑祥斌

(山东莱克工程设计有限公司，山东 东营 257026)



桥梁承台大体积混凝土水化热分析及温控措施研究

郑祥斌

(山东莱克工程设计有限公司，山东 东营 257026)

针对桥梁承台这一标志性大体积混凝土结构，结合某桥梁工程实际情况，从基本的热学性能出发，对承台混凝土水化热特性进行分析，明确内部温度场的分布规律，并在此基础上分别从施工、养护与监测三方面研讨有效的温度控制措施，旨在为缩小承台内外部温差、避免产生温度裂缝提供参考借鉴。

桥梁承台；大体积混凝土；水化热分析；温控措施

1 桥梁工程概况

某桥梁高塔承台的高度为6.0 m，平面尺寸规格25 m×24 m，混凝土面积3 600 m3。在开始施工以前，借助Midas软件分析结构水化热，深入了解混凝土结构的水化热特征，同时根据所得分析结果采取相应的温度控制措施，避免大体积混凝土产生质量问题，实现预期控制效果。

2 水化热分析

2.1 热学性能

对于大体积混凝土而言，其热学性能主要包含四方面内容，分别为导温和导热系数、比热与密度。依据导温系数的基本定义可得

(1)

式(1)中：a表示导温系数，m2/h；λ表示导热系数，kJ/(m·h·℃)；c表示比热，kJ/(kg·℃)；ρ表示密度，kg/m3。

热学性能可以通过相关试验进行测定，并且在实际情况中仅需测出其中三项，另外一项可直接采用式(1)得出，通过查表可知不同材料的测量数据信息，如表1所示。

表1 不同材料的测量数据信息

在实际的浇筑施工过程中，通常会使用多种类型的材料，此时对所用材料实施统计，以得出各自的热特性值。使用式(1)对C30混凝土比热、导热系数进行计算。通过计算，C30混凝土比热为0.909 kJ/(kg·℃)，导热系数为9.229 kJ/(m·h·℃)。

2.2 水泥水化热

水泥水化热主要有三种表达形式，即指数表达式、双曲线表达式与复合指数表达式。为便于分析计算，本文主要运用复合指数表达式：Q(τ)=Q0(1-e-aτb)。

通过查表可知所用水泥的为330 kJ/kg。按照混凝土配比要求，C30混凝土的各项原材料单位体积用量如表2所示。

表2 材料用量

经计算，为2 397.1 kg/m3，为0.004 24 m2/h，(绝热温度)为47.1 ℃。

2.3 承台模型与计算分析

仿真分析的目的在于结合结构形态分析和几何形态分析，并通过对形态数值的模拟，为确定经济合理、标准规范的方案提供参考。就目前来看，仿真分析侧重处理两类问题：其一，模拟温度场的全程分布状况；其二，模拟温度应力的实际分布状况。第一类问题是第二类的重要基础，通过准确的全程模拟，能深入了解会对温度应力造成影响的因素，再据此编制相应的温度控制方案。

(1)创建结构模型

由于承台是长方体，其温度分布图以轴线成中心对称，可选取其25%实施分析，构建结构模型，以此减少单元实际数量，确保计算简单，方便对结果进行观察。在结构模型中，需使用实体单元，划分过程中尽可能保证单元变化均匀性，以免产生突变，从而为温度变化分析提供方便。

(2)水化热分析

对于水化热分析而言，其实际上就是初始温度及积分系数的定义。结构模型的迭代次数不能超过10次，要求收敛误差保持在0.01以内，初始温度可确定为混凝土的入模温度，设计拟定为20 ℃。

(3)计算分析

分别在有温度控制措施、无温度控制措施的条件下，分析承台内部与表面的温差变化。

在无温度控制措施的条件下，承台极限温度达到70 ℃，温差最大值为32 ℃。这一结果超出现行施工规范要求的25 ℃，所以必须对温差进行有效降低，可采取在混凝土结构中预埋冷却管的方法。预埋冷却管以后，根据各个时刻的结构温度场分布结果，判断温度控制效果。本工程在埋设冷却管后，承台内外部温差降至25 ℃以内，满足现行施工规范的要求。

3 温度控制措施

3.1 施工控制

在现场施工中，使用布置遮阳棚、冷水循环冲洗石料等措施，降低混凝土浇筑的入模温度。根据设计图纸的指示与要求预埋冷却管，同时采取循环水降温策略，也就是在结构中埋设冷却管，通过冷水的循环起到降温作用。依据建模计算分析得出的温度分布情况，在竖向的厚度方向上，需埋设5层冷却管，冷却管使用钢管，按照由下至上的顺序依次埋设。冷却水可直接使用河水，在浇筑施工以前需要实施压水检查。冷却管的折弯位置端头需切割成45°角，通过对焊形成整体，确保焊接密实，冷却管的进口和出口需要伸出整体不少于80 cm。所有冷却管在完成浇筑施工后即可开始通水循环。

3.2 养护措施

(1)混凝土完成浇筑初凝以前，可使用喷雾器均匀喷撒水雾，以保证结构表面湿润；

(2)混凝土完成浇筑初凝以后，可在吊箱中存高度为15 cm左右的淡水实施养护，以此延缓结构表面水分蒸发，有效控制温差，避免开裂等问题的发生。

在水化热峰值产生之前，使用吊箱进行存水，以此对承台的内外部温差进行有效控制，为避免浪费，吊箱中的存水可以用于施工控制环节的冷却循环；靠近峰值时，为保证冷却效果，可将冷却水替换为江水，江水的温度相比较低，降低吊箱内的水面高度，以保证表面完全湿润为基准，从而促进承台整体散热。养护施工用水温度和承台表面温度之间的温差不能超过10 ℃，并根据实际温度控制要求，对存水进行替换。

3.3 理论和实测结果对比

根据现场情况在承台控温断面设置传感器，借助传感器在不同时期之内的电位差值，通过换算形成相应的温度，进而实时了解各个部位的温度状况，为养护施工提供可靠的现场指导。施工现场对比了传感器读数和计算结果，如表3所示。

表3 理论和实测结果的对比

4 结束语

通过以上分析可知，承台作为大体积混凝土结构会因为水泥的水化热作用而产生较大的内外部温差，如果在施工中未能进行有效控制，将极易造成结构表面裂缝，严重影响承台施工质量和安全。为防止此类问题的产生，在施工中首先要通过水化热分析明确承台内部温度变化规律，预测其对承台结构造成的影响；然后根据现行施工规范，可在施工中采取预埋冷却管，加强养护降温与温差实时监测等方法有效控制温度，以将承台的内外部温差控制在理想的限度之内，从根本上避免承台表面温度裂缝的产生，保证承台施工质量。

[1] 罗庚,胡宝生,辛国平. 桥梁承台大体积混凝土水化热分析及温控措施[J]. 公路交通技术,2015,10(3):89-93.

[2] 黄志福,叶雨霞. 大体积承台混凝土水化热分析及温控措施[J].工程与建设,2014,11(1):14-16.

[3] 陈洪. 承台大体积混凝土水化热温控措施研究[J].山西建筑,2014,11(35):195-197.

[4] 秦戈. 高速公路桥梁承台大体积混凝土施工温控措施[J]. 山西建筑,2014,10(11):193-194.

2016-12-28

郑祥斌(1989-)，男，山东郓城人，助理工程师，研究方向：道路与桥梁工程设计。

U442

C

1008-3383(2017)05-0096-02