桥梁主塔大体积混凝土的温控指标仿真分析

贾海艳

（黄冈职业技术学院 建筑学院，湖北 黄冈 438002）

大体积混凝土结构厚实，混凝土量大，工程条件复杂，施工技术要求高，水泥水化制热较大，混凝土在降温过程中存在较大的内表温差，产生较大的温度应力，当温度应力大于其抗拉裂缝，同时受到外部约束时，容易产生温度裂缝，且易发展成为贯穿裂缝[1]。对大体积混凝土进行温度控制，是避免产生温度裂缝的有效技术措施[2]。

1 工程概况

某公路大桥北主塔设置两个分离式矩形承台，每个承台的平面尺寸为23m（顺桥向）×18m（横桥向），高为6m，釆用C35 混凝土；承台底面设置0.5m 厚的C25 混凝土垫层；每个承台顶面设置一个棱台形塔座，顶面尺寸为13m×10.5m，底面尺寸为17m×14.5m，高度2m，采用C50 混凝土。

北主塔塔顶高程为186.000m，塔底高程为29.000m，塔高为157m。塔柱包括塔冠、上塔柱、下塔柱、上横梁和下横梁。塔柱标准断面采用矩形倒圆角的空心截面形式，圆角半径采用0.3m，斜率变化点以上断面尺寸为 8.5m ×6.5m～9.3mx7.3m(顺桥向x 横桥向)，斜率变化点以下断面9.3m×7.3m～9.8m×7.8m(顺桥向x横桥向)；在塔柱根部和顶部各设置了4m 高实心段。塔柱采用C50 混凝土。

2 大体积混凝土温控评价标准

2.1 温度评价标准

（1）入模温度：根据《公路桥涵施工技术规范》（TGT F50-2011）的规定，在夏季施工时大体积混凝土应符合入模温度小于等于28℃的要求；冬季施工时，要符合入模温度应大于等于5℃的要求。因此，本工程混凝土入模温度控制值要求定为：≥5℃且≤28℃。

（2）混凝土内部最高温度：根据《公路桥涵施工技术规范》（JTGT F50-2011）的规定，大体积混凝土内部最高温度不应大于75℃。参考《大体积混凝土施工规范》（GB50496-2009）的规定，在入模温度基础上混凝土实际温度升高应小于等于50℃，即若混凝土浇筑温度为10℃，则内部最高温度不大于60℃；若混凝土浇筑温度为28℃，则内部最高温度不大于78℃。本项目提出对混凝土内部最高温度控制值为：混凝土在入模温度基础上实际温度升高值不大于50℃，且内部最高温度不应超过75℃。

（3）混凝土最大内表温差：指混凝土内部最高温度与同一时刻距表面50mm 处的混凝土最低温度之差。根据《公路桥涵施工技术规范》（JTGT F50-2011）的规定，大体积混凝土内表温差控制在25℃以内。

2.2 应力评价标准

大体积混凝土温控抗裂安全系数是指在标准养护条件下的混凝土劈裂抗拉强度试验值与对应龄期温度应力计算最大值之比[3]。《水运工程大体积混凝土温度裂缝控制技术规程》（JTS202-1-2010）中通过统计分析大量温控开裂情况，从而规定了大体积混凝土的温度应力抗裂安全系数应不小于1.4。综合各方面调研结果，建议本工程大体积混凝土的温控抗裂安全系数不小于1.4。

3 仿真计算分析

3.1 模型参数

构件尺寸：承台为23.0mx18.0m×6.0m；塔座为（17.0～13.0m）×（14.5～10.5m）×2.0m；塔柱根部实心段为9.8m×7.8m×4.0m

约束条件：垫层采用C25 水下混凝土，厚度0.5m；另受11 根直径φ3.0m 的C35 嵌岩桩约束。

分层分块：承台分两层浇筑，浇筑高度为3.0m×2 层，塔座与塔柱根部0.5m 实心段一次浇筑，塔柱根部3.5m 实心段分两次浇筑，第一次浇筑2.0m 实心段，第二次浇筑剩余的1.5m 实心段+2.0m 塔柱空心段。

根据结构对称性，取主塔承台、塔座和塔柱根部段大体积混凝土1/4 进行温度应力计算，计算模型网格剖分图见图1。

图1 主塔大体积混凝土1/4 网格剖分图 （附带垫层约束）

3.2 边界条件

主塔大体积混凝土浇筑边界条件如表1 所示。其中：

（1）环境温度：承台4 月底～6 月下旬施工，环境温度取为26±4℃。

（2）入模温度：中高温期施工控制为≤28℃，仿真计算入模温度取值为28℃。

（3）模板材质：承台、塔座采用1cm 厚钢模板，表面等效散热系数取为80kJ/（m2·h·℃）；塔柱根部实心段采用2.1cm 厚WISA 板，表面等效散热系数取为25kJ/（m2·h·℃）。

表1 大体积混凝土边界条件

表2 温度分析结果

3.3 仿真计算结果

3.3.1 温度计算结果

图2 主塔承台、塔座和塔柱根部实心段混凝土内部最高温度包络图（单位：℃）

在设定条件下，主塔承台、塔座和塔柱根部实心段大体积混凝土内部最高温度及最大内表温差结果见表2，内部最高温度包络图见图2。

由表2 可以看出，最高温度和最大内表温差均约在浇筑后第3d 时出现。内部最高温度计算值符合《大体积混凝土施工规范》（GB 50496-2009）中规定的“混凝土在入模温度基础上实际温升值小于等于50℃” 要求。最大内表温差符合《公路桥涵施工技术规范》（JTGTF50-2011）中规定的“大体积混凝土内表温差控制不高于25℃”要求。

3.3.2 应力分析结果

在设定条件下，主塔承台、塔座和塔柱根部实心段大体积混凝土温度应力计算结果见表3。可以看出，塔柱根部第一节的3d 最小抗裂安全系数为1.44（≥1.4），抗裂安全性较高。

表3 温度应力计算结果

3.4 计算结果分析

（1）各浇筑层内部最高温度及内表温差可满足本项目大体积混凝土所制定的温度评价标准。

（2）各浇筑层最小抗裂安全系数为1.44，可以满足本工程大体积混凝土温度应力抗裂安全系数取值不小于1.4 的评价标准要求。

4 温控标准

温度控制的方法和制度需根据气温、混凝土配合比、结构尺寸、约束情况等具体条件确定，设置主控标准进行严格管控，并设置参考标准对混凝土温度发展进行辅助评价[4]。本工程设置浇筑温度、内部最高温度、内表温差及降温速率四个主控标准，其它为参考标准。结合实际情况，参考相关规范，根据仿真分析结果对主塔大体积混凝土制定的温控标准见表4、表5。

表4 大体积混凝土温控标准主要指标

表5 大体积混凝土温控标准参考指标

5 结论

大体积混凝土温控原则是首先要合理控制混凝土的浇筑温度，最大限度降低混凝土的水化热温升、延缓温峰值出现时间，其次通过保温措施控制最高温度过后混凝土的温度下降速度，还要降低先浇与新浇混凝土之间、混凝土表面与中心之间的温差以及控制混凝土表面和环境气温之间的差值。结合本工程实际情况，本文通过对主塔大体积混凝土进行仿真分析，根据仿真分析结果，并参考相关规范，提出了主塔承台、塔座、塔柱根部实心段的温控主要指标和参考指标。