桥梁大体积混凝土承台水化热分析及水冷管设计

惠宝龙 曹梦云 李丹

摘 要：桥梁大体积混凝土承台具有体积大、钢筋密集的特点，在浇筑时会因水泥水化热产生较大的热应力而引起混凝土开裂的现象，从而影响承台的使用寿命和施工质量。本文以某连续梁桥墩承台为研究对象，运用Midas/Civil有限元软件建立实体模型，对大体积混凝土承台进行水化热分析，根据承台施工过程中温度和应力变化规律，确定水冷管布置形式，从而为混凝土配合比的修改及养护方案的制定提供依据。

关键词：大体积混凝土;有限元分析;水化热

中图分类号：U445.57 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）19-0091-03

Abstract： The mass concrete bearing platform of bridge has the characteristics of large volume and dense reinforcement. During pouring， it will cause concrete cracking due to large thermal stress caused by cement hydration heat， which will affect the service life and construction quality of the bearing platform. This paper took a continuous beam pier bearing platform as the research object， established a solid model by using MIDAS / civil finite element software， analyzed the hydration heat of mass concrete bearing platform， and determined the layout form of water cooling pipe according to the variation law of temperature and stress during the construction of bearing platform， so as to provide a basis for the modification of concrete mix proportion and the formulation of maintenance scheme.

Keywords： mass concrete;finite element analysis;hydration heat

大體积混凝土结构在施工期间，水泥的水化反应导致其温度发生变化，在受到外部和内部约束时将产生较大的温度应力，容易引起混凝土开裂[1]。裂缝对结构承载力、防水性能、耐久性等都会产生较大影响，因此，做好水化热测试工作对控制混凝土结构开裂具有重要意义。由于水化热作用，在大体积混凝土承台浇筑后将经历升温期、降温期和稳定期三个阶段。在这些阶段，随着温度的变化，混凝土将会发生体积收缩，当混凝土体积收缩受到约束就会产生拉应力，该拉应力超过混凝土的抗拉强度，混凝土就会开裂[2]。本文以桥梁的主桥承台为研究对象，运用有限元分析软件分析大体积混凝土在有冷水管工况下内部水化热的变化情况，确保工程质量。

1 有限元分析

1.1 有限元模型

大桥主墩承台为大体积混凝土结构，尺寸为14 m×11 m×4.0 m。由于结构尺寸对称，因此可采用1/2或者1/4结构进行计算。为提高计算效率，本文采用1/4结构进行计算。计算模型如图1所示。同时，采用MIDAS Civil软件进行有限元分析。

1.2 结构计算参数

该桥承台采用C50混凝土，比热容为0.25 kJ/（kg·℃），热传导率为2.3 kJ/（m2· h·℃），弹性模量为3.3×105 MPa，泊松比为0.2，线膨胀系数为5.6×10-6，容重为25.49 kN/m3。该承台分两次浇筑施工。下层地基材料特性如下：比热容为0.2 kJ/（kg·℃），热传导率为1.7 kJ/（m2· h·℃），弹性模量为1.0×108 MPa，泊松比为0.2，线膨胀系数为1×10-5，容重为18 kN/m3。

本工程施工时大气温度为20 ℃，浇筑温度为20 ℃。混凝土浇筑时考虑浇筑10 h、20 h、…、1 100 h等施工子工况。本次计算采用实体单元建模型，其中节点有4 775个，单元为3 696个。

2 结果分析

2.1 温度分布分析结果

有冷水管和无冷水管混凝土内部中心点温度变化见图2。

从图2可知：无冷水管时，混凝土在浇筑120 h后温度达到最大值，为58.06 ℃;布置冷水管之后，混凝土在浇筑80 h后温度达到最大值，为41.00 ℃。无冷水管时，混凝土中心点的温度基本在25.00～58.06 ℃变化;布置冷水管之后，混凝土中心点温度基本在25.00～41.00 ℃变化。因此，中心点温度受环境温度的影响较小，受混凝土水化热的影响较大。混凝土水化热主要与其材料有关，因此，材料配合比不变，中心点温度最终趋于一致。

2.2 应力分析结果

有冷水管和无冷水管混凝土内部中心点应力变化见图3。

从图3可以明显看出，布置冷水管之后，截面的应力小于材料的允许应力。

2.3 冷水管布置分析

根据水化热分析结果，确定主墩承台施工第一阶段采用2层直径为57 mm的冷却管降温，施工第二阶段采用2层直径为57 mm的冷却管降温。冷水管采用具有一定强度的钢管，安装时要注意管内通畅，丝口处连接牢靠，并通过试通水检测，防止在混凝土浇筑过程中出现漏水的现象。

冷水管的水流入温度为10 ℃，流量取5 m3/h。第一层冷水管在开始浇筑时开始注入，在浇筑170 h后结束;第二层冷水管在开始浇筑5 h后开始注入，在浇筑170 h后结束;第三层冷水管在第二次浇筑时开始注入，在浇筑结束时结束，水管的内直径为 57 mm，对流系数为1 338 kJ/（m2·h·℃）。共布置3层，第一层布置在距离承台下表面1.0 m处。

冷却水管采用直径为57 mm的圆钢管。冷水管网按照冷却水由热中心区流向边缘区的原则分区布置，进水管口设置在靠近混凝土中心处，出水口设置在混凝土边缘处，沿承台竖向布置1层水平冷却水管网，管网至承台顶面距离为2.0 m，距离底层管网距离为1.0 m;同一管网内水管间的水平间距为1.0 m，最外层水管距离混凝土最近边缘0.5 m左右;管网的进出水口需要垂直引出混凝土顶面0.5 m以上，每层水管网的进水口和出水口相互错开。

3 结论

本文运用有限元软件进行模拟，分析了大体积混凝土承台内部有无冷水管情况下内部中心点温度分布变化。结果表明，混凝土中心温度受其水化热的影响较大，受环境温度影响较小。最后，根据有限元分析承台应力小于材料允许应力的结果确定了其内部冷水管布置形式，防止大体积混凝土承台因水化热而产生裂缝现象，提高了施工质量。

在大体积混凝土承台施工过程中提出如下建议。第一，及时在混凝土表面喷水，保证混凝土表面的湿度[3]。第二，在绑扎承台钢筋网的同时布置冷水管。布管时，水管要与承台主筋错开，当局部管段错开有困难时，要适当移动水管的位置。水管要与钢筋骨架或架立钢筋绑扎牢靠，防止混凝土在浇筑过程中水管变形或接头脱落而发生堵水或漏水。第三，采用振捣棒振捣混凝土[4-8]。第四，在振动界限以前对混凝土进行二次振捣，排除混凝土因泌水在粗骨料、水平钢筋下部生成的水分和空隙，提高混凝土与钢筋的握裹力，防止因混凝土沉落而出现裂缝，减少内部微裂，增加混凝土密实度，提高混凝土抗压强度，从而提高抗裂性。第五，对大体积混凝土进行保温、保湿养护，在每次浇筑完混凝土后，除应按普通混凝土进行常规养护外，还应及时按温控技术措施的要求进行保温养护。

参考文献：

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