关于某桥梁工程混凝土的温度控制处理与研究

侯敏+陶燕+李立君+陈蓉+李淑国

摘要：大体积混凝土温度控制技术最早应用于大坝工程，目前水利部门在温控计算方法、原材料与配比的选择、骨料的人工冷却、加冰拌合、通水降温、保温材料、温控指标的确定、养护以及配套机械设备等方面已形成了较为完善的体系。本文以某桥梁工程为例，介绍了温度控制的计算方法，并对本工程的计算结果进行了温度场计算分析和应力计算分析。望能够对以后的温控工程作出一些参考。

Abstract： The mass concrete temperature control technology was first used in dam engineering. At present， the water conservancy department in the calculation method of temperature control， and the ratio of raw material selection， artificial aggregate cooling， ice mixing， cooling， heat insulation materials， the temperature indicators determining， maintenance and supporting equipment etc. has formed a more perfect system. Taking a bridge project as an example， this paper introduces the calculation method of temperature control， and analyzes and calculates the temperature field and stress calculation of the calculation result of this project， hoping to make some reference to control engineering later.

關键词：桥梁工程；温度控制；计算方法；结果分析

Key words： bridge engineering；temperature control；calculation method；result analysis

中图分类号：U445.57 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）34-0108-05

1 工程概况

本工程的全桥跨径组成为（5×30）m+（75+4×130+75）m，主桥为6跨预应力混凝土连续梁—刚构组合体系，其中7#、8#、9#桥墩与主梁固结，6#、10#桥墩与主梁通过盆式支座连接，引桥为5跨30m预应力混凝土先简支后连续T梁。主桥下部结构桥墩采用实体板墩、钻孔灌注基桩础。主桥桥型布置图见图1。本桥梁按双向四车道标准设计，桥面总宽24.5m，桥面布置为：2×[0.5m（防撞护栏）+3.5m（非机动车道）+2×3.75m（车行道）+0.5m（防撞护栏）]+0.5，桥面横坡为双向2.0%。主桥按双幅桥布置，单幅桥宽12.0m。

2 温度控制指标

大桥零号块高标号大体积混凝土温度控制的主要指标，根据现行规范结合以往工程经验，规定如下：

①混凝土入模温度应不低于5℃，且不宜超过28℃；

②混凝土浇筑体的里表温差不宜大于25℃；

③混凝土浇筑体内部最高温度值不应大于75℃；

④低温季节拆模应选择气温较高时段并立即采取保温措施；混凝土表面温度与环境温度之差大于15℃时应推迟拆模时间；

⑤降温速率宜不大于2℃/d。

3 相关参数应用

3.1 温度参数

数值计算中环境温度取月平均气温。入模温度估算时，砂石骨料的温度也取月平均气温，根据工程经验，在不采取人工制冷措施的情况下，实际入模温度比浇筑时前几天的平均气温高4℃-7℃左右。此外考虑到规范对入模温度的限制要求，零号块大体积砼温控计算时各温度参数的取值见表1。

3.2 混凝土热力学参数

3.2.1 混凝土配合比

计算时，混凝土弹性模量及强度随时间的发展变化，混凝土的绝热温升以及水泥水化热等参数应通过严格的试验确定。当无试验资料时可根据规范及经验取值。由施工单位提供的零号块C55混凝土的配合比见表2，该配比的7天强度约55MPa，28天强度约65MPa。

3.2.2 混凝土的绝热温升

在无水泥水化热等实验资料的情况下，参照朱伯芳的《大体积混凝土温度应力与温度控制》中关于绝热温升的经验公式：

Qt=

Q—每千克水泥最终水化热量（kJ/kg），52.5级普通硅酸盐水泥水化热按经验取值为350kJ/kg；

W—为每立方米混凝土中水泥的用量（kg/m3）；

k—折减系数，对于粉煤灰，可取k=0.25；

F—混合材用量（kg/m3）；

c—混凝土的比热，一般取0.96kJ/kg·℃；

ρ—混凝土质量密度，取2455.72kg/m3。

最后求出水泥水化热绝热温升：Qt=65.6℃。

根据《大体积混凝土施工规范》（GB50496-2009）附录B.1.4，热源函数按如下公式计算：T（t）=（1-e-mt）

式中：T（t）—混凝土龄期为t时的绝热温升；

W—每方混凝土的胶凝材料用量；

C—混凝土的比热，取0.96kJ/kg·℃；

ρ—混凝土的重力密度；

m—与水泥品种、浇筑温度等有关的系数，反映了混凝土的发热速率，根据工程经验，在入模温度分别取15℃、20℃、25℃、28℃时，m的取值分别为0.8、1.1、1.3、1.4。endprint

3.2.3 混凝土热力学性能参数

混凝土物理、热学性能参数选取见表3。

3.2.4 混凝土的弹模与强度

混凝土的强度及弹性模量随时间的变化规律按Midas/Civil中的CEB-FIP规范取用。

3.2.5 混凝土收缩徐变

收缩徐变参数按按Midas/Civil中的CEB-FIP规范取用，其中环境相对湿度取70%。

3.2.6 边界条件

零号块四周及顶面与外界环境之间的热对流边界条件，初步根据不同月份采取的保温措施按表1选用，人洞及箱室的内模为木模，保温效果较好，具体的表面放热系数还应根据温度实测结果进行修正。

建模时取部分墩身和零号块一起计算，以模拟墩身对零号块的约束作用，墩身底部偏安全的取为固定约束。

4 方案设计

温控计算采用有限元桥梁专用程序Midas/Civil进行，该程序用于温控计算的有以下主要特点：

①该程序可以对施工期温度场及仿真应力场进行模拟分析；

②能够考虑混凝土分层浇筑方式、入模温度、浇筑层厚度、施工间歇、混凝土及基础弹模变化、外界水温及气温变化、混凝土向各种介质进行热量散发及徐变收缩等复杂因素的模拟，能够模拟实际的施工过程。

4.1 施工前的预测计算

在开始施工之前，根据混凝土配合比、绝热温升、混凝土强度（抗拉及抗压）、弹模的增长曲线、混凝土比热、热传导系数，以及施工方法、约束边界条件和对流边界条件等参数，在Midas/Civil的水化热计算模块中，建立施工的有限元仿真模型，并进行模拟计算，得出大体积混凝土施工和养护过程中的温度场和应力场的初步结果，根据计算结果，预先制定合理适当的大体积混凝土表面养护和内部降温措施。

4.2 施工及养护过程中的预测计算

在开始施工过程中，根据大体积混凝土实际的施工方法、约束边界条件和对流边界条件等参数，以及每阶段的监测结果，对有限元仿真模型进行修正计算，再根据计算结果对大体积混凝土内部温度场的变化趋势进行预测，根据需要随时调整的大体积混凝土养护措施，严格控制表面混凝土的温度梯度、内部混凝土的内外温差和降温速率，防止大体积混凝土产生有害裂缝。

5 计算结果及分析

零号块的有限元仿真计算模型和各层混凝土的施工过程模拟见图2。冷却水管线路按照实际布置线路和位置模拟。各层混凝土的施工顺序、间歇期、对流边界、约束边界等按照实际施工情况模拟。

零号块厚8.0m，分两次浇筑5.0m+3.0m，共11642个单元。

5.1 温度场计算结果及其分析

5.1.1 温度计算结果

根据工程进度安排和桥址区的气温条件，零号块分15℃、20℃、25℃、28℃四种入模温度工况进行计算。温度计算结果见表4，以入模温度20℃的工况为例，零号块混凝土内部最高温度场分布云图见图3～图4，芯部与表面等关键测点的温度时程曲线见图5～图6。

为了反应冷却水管的降温效果，以入模温度20℃为例，分布置冷却水管与不布置冷却水管两种工况计算，见表5。

5.1.2 温度场计算分析

①零号块为高标号大体积混凝土，水泥用量多，温度峰值高，由计算可知，为了使最高温度不超过《公路桥涵施工技术规范》的要求（不大于75℃），应把入模温度控制在不超过22℃。

②当混凝土入模温度为15℃～28℃时，零号块各层混凝土的计算温度峰值在入模温度基础上的温升值为46.3℃～56.1℃，入模温度高的，放热速率快，温升值也较高。

③当由水泥水化引起的升温速率与由内部水管及表面对流引起的散热速率相等时，混凝土即达到温度峰值。由表4易知，各次浇筑的入模温度越高，相应的温度峰值越大，且峰值增量大于入模温度的增量，这主要是因为入模温度的升高导致水化放热速率加快，进一步推高了温峰值。

④入模温度的升高，放热速率加快，导致到达温峰的时间提前，通水消峰的作用减弱，对温控不利。

⑤与不布置冷却水管相比，布置水管后，最高温度降低8.3℃～9.9℃，约降低11%左右，而且到达温峰的时间几乎提前了一倍。

5.2 应力计算结果及其分析

5.2.1 应力场计算结果

降温阶段应力计算结果见表6，以入模温度20℃的工况为例，零号块混凝土最大主拉应力场分布云图见图7～图8。

5.2.2 应力场计算分析

在降温阶段计算的最大主拉应力为3.10MPa～3.48MPa，总体来讲浇筑层厚的比浇筑层薄的拉应力要大，入模温度高的，拉应力也较大。

计算过程中发现，在升温阶段最大主拉应力分布在冷却水管周围，这主要是因为升温阶段采用大流量通冷水以消减温峰，导致水管周围温度梯度较大，自约束应力偏大。不过升温阶段水泥的水化产物处在不断生成的过程中，可不计该拉应力的影响。但是降温阶段一定要注意通循环热水，控制进水温度与芯部温差满足规范要求，减小水管周围的温度梯度。

降温阶段最大主拉应力的分布主要取决于零号块各组成部分因为降温不一致所引起的自约束情况，以及墩身和已浇筑第一次混凝土的外约束情况。零号块第一次浇筑（5m）最大主拉应力出现在顶面横隔板与腹板交界处，主要是因为该处相互约束作用强且为多面散热区域；墩身与底板交界面处，由零号块的降温收缩变形受到墩身的外在约束所致。零号块第二次浇筑（3m）在降温初期，最大主拉应力出现在顶板顺桥向中心附近，主要是因为第二次浇筑混凝土的降温收缩变形受第一次浇筑混凝土的外在约束，且薄的翼缘板受腹板的约束所致；在降温后期，最大主拉应力出现在顶板靠近横隔板中间部位，因为该处顶板相对较薄（30cm），受横隔板和两腹板约束作用强，在温度收缩等作用下，产生较大的拉应力。

6 结论

①入模温度对温控影响很大，施工中应注意尽可能降低入模温度；布置冷却水管对消减温峰作用显著，施工中应按要求布置水管。

②若要减小温度应力，降低开裂风险，应尽量缩短层间浇筑间歇期，减小外界约束；优化配合比降低绝热温升，降低入模温度以降低温峰，从而减小总的温度收缩变形；

③加强表面保温保湿养护，降低表面开裂风险；在暴露表面设置防裂钢筋网，采用纤维混凝土以提高混凝土的抗裂能力和限制裂缝的发展。

参考文献：

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