寒冷地区冬期大体积混凝土承台施工关键技术研究

邵俊峰

摘 要：为了保证工程质量，避免温度裂缝的产生，提出了寒冷地区冬期大体积混凝土承台施工关键技术。结合临夏双城至达里加双城特大桥主桥大体积混凝土承台在寒冷气候条件下的施工特点，采用Midas建立了承台水化热有限元模型，分析了混凝土浇筑不同时间段的温度、应力及位移，并以此优化了冷却管布置方案；提出了利用暖棚保温法确保承台在寒冷地区冬期施工的关键技术，结果表明该温控措施效果良好，为类似条件下的大体积混凝土工程施工提供了参考。

关键词：寒冷地区；大体积混凝土；冬期施工；暖棚法

中图分类号：TU755 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）16-0114-02

大体积混凝土施工过程中因水化热导致结构物内部温度升高，若处理不当诱发混凝土出现温度裂缝，严重影响了结构的耐久性和透水性。因此，正确预估大体积混凝土水化热引起的温度应力是其施工过程中采取合理控制措施的关键。冬期需要对混凝土的拌和、运输、浇筑及养护等过程进行热工参数计算，以便采取合适的措施保证工程质量。为保证混凝土质量，避免水化热产生的温度裂缝，开展寒冷地区冬期大体积混凝土的施工技术研究具有重要意义。本论文依托临夏双城至达里加（甘青界）公路工程双城特大桥18#承台，采用Midas建立了承台有限元模型分析了不同时间段的混凝土的温度、应力及位移，优化了冷却管布置方案。针对寒冷地区冬期混凝土施工，提出了暖棚法施工方案，计算了暖棚的总热量并确定了煤燃料用量及煤炉数量。

1 工程概况

临夏双城至达里加（甘青界）公路工程是甘肃省临夏回族自治州通往青海省循化、西宁的一条重要省际间快速通道。本项目区气候处于温带半湿润区与高寒阴湿区过渡段，全国公路气候自然分区中属于Ⅲ3（甘东黄土山地区）。年平均气温1.5-4.8℃，极端最高气温30℃，极端最低气温-28.5℃。土壤平均开始冻土日期11月下旬，平均解冻日期为翌年3月中下旬。双城特大桥主桥跨越拟建兰合铁路，主桥上部结构采用 52+95+52m 变截面连续箱梁（图1）。主桥主墩、过渡墩采用群桩承台基础，主墩为空心薄壁墩，过渡墩为板式墩；主桥右幅主墩18#承台长12m、宽7.5m、高3m，混凝土标号C30，承台底位于原地面以下3.5-4m位置。由于主桥是本项目的关键节点工程，为保证工程顺利实施，右幅主墩18#承台进行了冬季施工，保温采用暖棚内生煤炉的方法。

2 水化热分析

工程所在区域昼夜温差大且低温持續时间长，混凝土内外温差大极易导致表面开裂，对于大体积混凝土施工极为不利。为了准确掌握混凝土水化热情况，采用Midas Civil建立有限元模型分析承台浇筑混凝土后的3d水化热的温度及应力分布。科学布置冷却管对大体积混凝土的施工具有重要意义，该模型的冷却管的初始布置方案如图2所示，冷却管分两层布设，底层位于承台底部以上50cm，顶层距离承台顶面以下50cm位置，两层冷却管间距为2.0m；冷却管采用内径50mm、壁厚2.5mm的钢管。为方便监测承台内部温度，在浇筑时预留10个Φ10的测温孔。

2.1 有限元模型的建立

在建模中，如将承台地基的支承条件采用弹性支撑，则不能描述混凝土的热量传递给地基，与工程实际情况不符，因此有必要将承台地基视为具有一定比热和热传导率的结构。考虑到承台的对称性，故采用取1/4模型进行建模和分析能有效地提高计算效率，最终建立的模型。

2.2 结果与分析

2.2.1 水化热温度

当承台暖棚内温度为20℃时，计算了浇筑5h、10h、12h、1d-3d后混凝土水化热产生的应力。考虑到该项目处于寒冷地区且在冬季施工，选用了早强抗冻类型的添加剂，因此在浇筑凝固后的5h产生大量的水化热，内部温度迅速升高，最大水化热温度为49.1℃。从温度等值线图可以看出，冷却钢管布置初始方案中，顶层、底层钢管周围水化热散热良好，由于上下层冷却管间距达2m，中间水化热较大，故需根据实际情况对冷却管方案进行优化调整即在承台中间部位增设一道冷却管，最大程度地降低承台核心区域的水化热温度，增设的冷却管采用矩形钢管。

普通混凝土的导热系数为1.28W/m.℃，导热性能较差；且其导热系数与材料的干湿状态、孔隙率、混凝土中粗骨料的含量及钢筋含量等因素有关。钢板的导热系数45W/m.℃，导热能力是混凝土的35倍。为了加快水化热在混凝土中的传导性，在矩形管底部焊接一块宽20cm、厚3mm的导热钢板，增强混凝土的导热能力，通过管道水流将热量带走。导热钢板焊接时需紧贴矩形管壁，为减小冷却矩形管、导热钢板的变形，采用间断点焊的方法将两者固定在一起，点焊距离不大于10cm。同时，为方便矩形钢管的连接，仅在主管路上焊接导热板，管路间的连接采用过渡板焊接圆钢管直角螺丝接头的方法。各主管路的冷却矩形钢管由直角螺丝以圆钢管连接。为防止施工过程导热板发生上浮，用间距为50cm的钢筋卡扣将其焊接固定在承台的竖向架立钢筋上。

2.2.2 水化热应力与位移

承台混凝土水化热初期温度最高达49.1℃，同时体积发生膨胀，承台长宽比为12/7.5=1.6，受地基及垫层混凝土摩擦力约束，在承台长边位置的基础底部产生了最大压应力约0.39Mpa；承台中心顶面产生0.19Mpa拉应力，长边与短边相交处顶面发生最大温度差位移1.3mm。

长边的底板在初期给地基压力，后期收缩产生拉力。由于地基、垫层混凝土与承台存在一定的摩擦力作用，使得底板长短边相交的直角根部处易出现裂纹。为了释放地基、垫层混凝土对承台长边的约束，安装侧模前，在承台长边端头垫层混凝土上放置双层油毡隔离层，降低底部的压应力，减小混凝土开裂的风险。油毡的隔离长度以保证承台底部接触地基、垫层混凝土长宽比1.3为宜，承台长12m、宽7.5m，则油毡隔离长度L=（12-7.5×1.3）/2=1.1m。为防止浇筑混凝土时油毡上浮及偏位，采用钢钉及垫片将四周固定在垫层混凝土上。

承台各阶段应力、温度、位移。在混凝土凝固后10h，承台中心顶面产生最大拉应力0.28Mpa，此时混凝土强度较小，易在顶面产生裂纹；混凝土凝固后3d，混凝土收缩时产生拉应力等于升温膨胀产生的压应力（0.28Mpa）处于临界状态，混凝土内部不会因应力的不平衡產生裂缝。由此可知，为缩小内外温差，混凝土浇筑完后的3d内需加强内部冷却管通水降温及加强承台顶面的养生工作。

3 施工暖棚法热工计算

3.1 暖棚耗热量

承台暖棚上尺寸为17.6×13.1m，下尺寸为14×9.5m，基坑深3.6m，基坑周围为粘土，顶面覆一层厚0.4±0.02mm PVC防雨布。暖棚外大气环境温度Ta取-12.5℃，棚内保温平均温度Tb取20℃，棚内采用煤炉加热，煤炉采用Φ58×89×0.5cm圆柱形旧铁油桶制作，油桶从中间一分为二切割，底部以Φ25钢筋架空20cm，架空部分割孔以利于清除煤渣及进空气，煤炉腔室装煤净尺寸为Φ57×22cm。

暖棚在单位时间内的总耗热量按下列公式计算：

承台基坑四周面积A1=（14+17.6+9.5+13.1）×4.02+（14+7.5）×2=260.9m2，土的传热系数K1取0.93（W/m2.K）。基坑顶部PVC防雨布围护面积A2=17.6×13.1=230.6m2，防雨布厚度0.4mm，导热系数K2=0.14，其传热系数K2= 1/（0.04+0.0004/0.14+0.114）=6.4（W/m2.K）。通过围护结构各部位的散热量之和为Q1，在进行本工程计算时，Tb=20℃、Ta=-12.5℃，Q1计算如下：

Q1=∑A×K（Tb-Ta）=（260.9×0.93+230.6×6.4）×[20-（-12.5）]=55851（W）。

通过围护结构各部位的散热量之和为Q2，在进行本工程计算时，Q2计算如下：

Q2=V×n×Ca×ρa（Tb-Ta）/3.6

=（17.6×13.1+14×9.5）÷2×3.6×2×1×1.37×[20-（-12.5）]/3.6=16188（W）。

则暖棚在单位时间内的总耗热量：

Q0=Q1+Q2=55851+16188=72039（W）

3.2 煤燃料用量及煤炉数量配置

经过上述计算，暖棚每小时内的耗热量为72039W，标准煤的发热量为29300KJ/kg，煤炉的热效率考虑为0.7，煤用量按下式计算：

Gp=3.6Q0/Rη

式中：Gp-燃料耗用量（kg/h）；Q0-暖棚总耗热量（W）；η-加热器效率；R-燃料发热量（KJ/kg）。

Gp=3.6Q0η/R=3.6×72039/29300×0.7=12.6kg，经过计算，暖棚每小时需消耗煤12.6kg，一天需要302.4kg。煤炉腔室净尺寸为Φ57×22cm，煤的堆积密度为600kg/m3，单个煤炉装煤重量G=3.14×（0.57/2）2×0.22×600= 33.7kg，安排专人一天增添三次煤块，通过计算，至少需要设置煤炉个数N=302.4/（3×33.7）=3个，现场实际施工时，在承台基坑暖棚内设置四个煤炉，有效保证了暖棚内温度。

4 结语

本文针对寒冷地区双城特大桥主桥右幅18#大体积混凝土冬期施工，采用Midas有限元软件分析了混凝土水化热温度、应力及位移情况，优化了冷却管布置，利用暖棚法进行冬期承台混凝土的施工等关键技术，其主要结论如下：（1）采用Midas有限元进行了温度分析，结果表明，因两层冷却管层间距较大，中间温度较高，冷却管效果较差；通过在中间部位增设一道矩形冷却管，优化了冷却管布置方案。（2）通过数值分析表明：长边的底板初期给地基压力，后期收缩产生拉力，易在底板长短边相交的直角根部处产生裂纹，为释放地基、垫层混凝土对承台长边的部分约束，在长边端头垫层混凝土上放置双层油毡隔离层；同时，降低承台底部接触地基、垫层混凝土长宽比（1.6降低为1.3）。（3）暖棚保温措施持续3d后，混凝土拉、压应力等效，不会在混凝土内部产生裂缝，因此混凝土浇筑完后的3d内，暖棚保温、冷却管降温及混凝土的养生措施必须落实到位。（4）针对承台采用暖棚保温的方案，进行了耗热量、煤燃料用量及保温煤炉数量配置相关计算，为有效保证暖棚内温度及施工成本控制提供有利的依据。

参考文献

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