斜拉桥桥塔承台大体积混凝土水化热仿真分析与裂缝控制

王文学,李元兵

（1.浙江宁波舟山港主通道工程建设指挥部，浙江 宁波 316000;2.上海同济检测技术有限公司,上海市 200092）

0 引言

今年来，桥梁结构中大体积混凝土构件出现愈来愈明显，在超高层建筑与水利大坝等工程领域此类大体积甚至超大体积混凝土结构也呈逐步增多趋势。此类工程结构对混凝土强度要求较严格，且尺寸大、热阻大、单位体积混凝土中水泥量较多，水泥的水化热聚集在混凝土内部不易传递和散发，而表面散热较快，这导致混凝土内部和表面形成较大的温差并产生较为明显的拉应力，一旦拉应力超过混凝土的当龄期抗拉强度，就会在混凝土表面产生大量的裂缝，进一步演化极易发展成深层裂缝或贯穿性裂缝，破坏结构的整体性和耐久性，甚至危及承台的安全[1]。既有研究结果表明[2]，因水化热导致的温度应力裂缝控制是斜拉桥桥塔承台大体积混凝土浇筑的关键，可通过优化混凝土配合比（从缓凝剂和胶凝材料比例的优选两方面开展）、制备低水化热温升和较高抗拉强度的混凝土，进行凝结时间、工作性、力学性能、绝热温升和耐久性试验，制定现场混凝土温控防裂措施等等，提高混凝土的抗裂阻裂能力，有效防止裂缝的产生。

本文以某斜拉桥桥塔承台大体积混凝土为工程背景，通过数值仿真分析研究探讨了大体积混凝土水化热阶段承台结构的温度场及应力场分布情况，比较分析了各类温度应力裂缝措施的温控效果，以期为此类工程结构大体积甚至超大体积混凝土施工提供一定的技术支撑与数据积累。

1 工程概况

某斜拉桥桥塔承台采用C40混凝土建造，承台高5 m，外轮廓为50 m×26 m。承台下设C30混凝土垫层，垫层高1.5 m。承台与垫层的构造见图1。为比对分析，采取了不同混凝土级配、不同水泥品种、不同分层浇筑方式，详细方案见表1、表2。

承台混凝土中布设冷却水管，冷却管中自浇筑混凝土时即通冷水，冷却水管采用φ48×3.5 mm热传导性能好的Q235C钢管，依据不同浇筑方案分别设置4层或5层，上、下及左、右间距均为1 m，距承台边缘的最小距离不小于0.5 m，冷水管典型布置见图2。每层冷水管设4个进水口、4个出水口；单个冷水管的流量不小于50 L/min=3 m3/h，水流速度约为0.57 m/s；进水温度为15℃（浇筑混凝土后第1天）、25℃（第2天）和30℃（第3～14天）；混凝土的入模温度取20℃；各层混凝土浇筑间歇时间应控制在7 d以内，选取间隔为4 d；带模蓄水养护时间14 d；土工布厚度不小于4 mm。温度控制标准如下：（1）混凝土浇筑体在入模温度基础上的温升值不大于50℃；（2）承台混凝土内、外部温差不大于25℃；（3）混凝土浇筑体表面与大气温差不大于20℃；（4）混凝土浇筑体的降温速率不大于2.0℃/d；（5）混凝土中最大主拉应力不大于允许应力=混凝土当前龄期的劈裂抗拉强度/1.4。

图1 某斜拉桥桥塔承台构造图（单位：m）

表1 承台不同混凝土级配、不同水泥品种

表2 不同分层浇筑方式

图2 冷水管典型布置图（单位：mm）

2 数值仿真分析方法

2.1 混凝土热工参数计算

混凝土的热工参数计算公式与取值主要依据《市政工程施工计算实用手册》[3]。混凝土的导热系数λ、比热容c分别根据各组成成分的质量百分比、比热容按照加权平均法计算；混凝土的导温系数按α=λ/（c·ρ）计算，其中混凝土的密度ρ按照石子的最大粒径估算新拌混凝土的密度。假定结构物四周没有任何散热与热损失条件，水泥水化热全部转化为混凝土的温度上升，则混凝土浇筑完成时间t后的绝热温升可按Tω=mcQ（1-e-mt）/（c·ρ）计算，最大绝热温升可按Tmax=mcQ/（c·ρ）计算。其中mc每立方米混凝土的水泥用量；Q单位质量水泥的水化热量，根据水泥品种按试验值取用；m经验系数（1/d），参考潘育耕、朱柏芳等人[4-5]的试验研究结果及《水运工程大体积混凝土温度裂缝控制技术规程》[6]，普通硅酸盐水泥取0.9，低热水泥取0.34。预计承台施工现场的温度为白天33℃～38℃、夜间16℃～20℃，施工现场预估温度的平均值取26℃；温度波动幅值取9℃，气温的日变化通常可用余弦或正弦公式表示。施工现场风速影响结构的散热，由于施工现场无实测风速数据，计算时按照成都市的气象资料取值为1.25 m/s，承台混凝土在施工时，混凝土表面的模板与保温材料对其散热效果有较大影响。混凝土表面通过保温层向周围介质放热的等效放热系数（对流系数）βs可按式（1）计算：

式中：β为空气层传热系数，取11.73 W/（m2·K）；hi和λi分别为第i层保温材料厚度、导热系数。

水化热分析中需考虑土体的传热、散热以及力学上的锚固作用，土体的物理参数按表3取用。

表3 基础土体的物理参数

2.2 数值分析模型

采用Midas Civil和ANSYS软件建立有限元实体单元模型进行水化热分析。由于土体也是热传导介质，且距离承台一定距离后，土体温度等于环境温度。有限元分析时考虑与结构尺寸相近的土体，见图3（图中为全部模型的1/4）。有限元模型中共88 224个单元，其中，C40混凝土34 080个单元，C30混凝土10 224个单元，基础43 920个单元。

图3 承台水化热分析有限元模型示意图

3 结果分析与讨论

3.1 温度场分析

图4、图5分别为不同混凝土级配、不同水泥品种、不同分层浇筑方式的承台混凝土前期水化放热产生的温度场变化云图和混凝土内、外温差分布。结果表明：大体积混凝土水化放热阶段温度变化非常显著，普通硅酸盐水泥混凝土内部温度一般在浇筑3～4 d后达到最高；表面温度一般在浇筑3 d后达到第一次峰值、6 d达到第二次峰值；内、外部温差在浇筑4 d后达到最大随后稳步下降。而低热水泥混凝土内部温度一般在浇筑5 d后达到最高，表面温度一般在浇筑8 d后最高，内、外部温差在浇筑混凝土8 d后达到最大。同时，混凝土的水泥及粉煤灰含量对放热效应影响最为显著，水泥含量越高、粉煤灰含量越低，放热效应越明显，内、外部温差越大；相比较而言，相同级配及分层浇筑方式下，低热水泥混凝土的最大温升、内外温差和混凝土表层温度均较普通硅酸盐水泥有所降低，温控效果较明显。

3.2 应力场分析

图6为不同混凝土级配、不同水泥品种、不同分层浇筑方式的承台混凝土前期水化放热产生的最大拉应力。结果表明：在混凝土养护的早期，主拉应力最大的部位在散热最快的倒角位置；随着混凝土进一步释放水化热，主拉应力最大的部位转移到上表面，并在与混凝土边缘平行位置呈带状分布。混凝土水化放热阶段应力变化极为显著，普通硅酸盐水泥混凝土最大拉应力浇筑3～4 d达到峰值，而低热水泥混凝土在浇筑7 d达到峰值。在承台倒角斜面内及冷水管的空当部位拉应力集中现象非常明显，极易超过允许拉应力，从而产生表面裂缝，现场可通过优化混凝土配合比、控制混凝土入模温度、增加表层混凝土保温措施、控制混凝土的浇筑间隔与分层厚度、调节通水时间、控制进水流量与温度、延缓带模蓄水养护时间等措施来有效防止。

4 结论

本文以某斜拉桥桥塔承台大体积混凝土为工程背景，通过数值仿真分析研究探讨了大体积混凝土水化热阶段承台结构的温度场及应力场分布情况，获得结论如下：

（1）大体积混凝土水化放热阶段温度变化非常显著，普通硅酸盐水泥混凝土内部温度一般在浇筑3～4 d后达到最高；表面温度一般在浇筑3 d后达到第一次峰值、6 d达到第二次峰值；内、外部温差在浇筑4 d后达到最大随后稳步下降。而低热水泥混凝土内部温度一般在浇筑5 d后达到最高，表面温度一般在浇筑8 d后最高，内、外部温差在浇筑混凝土8 d后达到最大。

图4 承台混凝土浇筑前期（1～6 d）各分层温度变化云图（℃）

图5 承台混凝土浇筑前期（1～14 d）内、外温差

图6 承台混凝土浇筑前期（1～14 d）内、外温差

（2）混凝土的水泥及粉煤灰含量对放热效应影响最为显著，水泥含量越高、粉煤灰含量越低，放热效应越明显，内、外部温差越大；相比较而言，相同级配及分层浇筑方式下，低热水泥混凝土的最大温升、内外温差和混凝土表层温度均较普通硅酸盐水泥有所降低，温控效果较明显。

（3）在混凝土养护的早期，主拉应力最大的部位在散热最快的倒角位置；随着混凝土进一步释放水化热，主拉应力最大的部位转移到上表面，并在与混凝土边缘平行位置呈带状分布。混凝土水化放热阶段应力变化极为显著，普通硅酸盐水泥混凝土最大拉应力浇筑3～4 d达到峰值，而低热水泥混凝土在浇筑7 d达到峰值。

（4）在承台倒角斜面内及冷水管的空当部位拉应力集中现象非常明显，极易超过允许拉应力，从而产生表面裂缝。施工现场可通过优化混凝土配合比、控制混凝土入模温度、增加表层混凝土保温措施、控制混凝土的浇筑间隔与分层厚度、调节通水时间、控制进水流量与温度、延缓带模蓄水养护时间等措施来有效防止。