后环海堤加固工程承台水化热过程分析及控制探讨

黄健华

(广东省源天工程有限公司，广东 广州 511340)

1 工程概况

后环海堤位于唐家湾东部，背面为金星门水道，东面为珠江口，海堤建成于1992年，西起留诗边，东至淇澳大桥长度，全长4.5 km。海堤现状建设标准偏低，堤身单薄，运行使用近30年，2017年受台风“天鸽”袭击，后环海堤及其穿堤水闸损坏严重，存在较大的安全隐患，为提高后环海堤的(防洪)标准，消除后环海堤上水闸安全隐患，完善防洪(潮)封闭圈，保证片区人民生命财产安全，配合高新区后环商务片区建设步伐，本工程通过加固海堤和建设水闸共组成防洪系统，将有效解决片区的防洪(潮)等问题，同时改善海堤道路的交通状况，满足工程管理要求。本工程水闸结构混凝土在浇筑时应该连续浇筑，并要求每一处混凝土在初凝前就被后一部分的混凝土覆盖并捣实成整体。水闸承台混凝土等级为C40。

大体积混凝土浇筑施工时，混凝土温度会因水泥水化作用而迅速升高，并释放热量，但混凝土结构缺乏良好的导热性，内部聚集的热量很难短时间内散发，导致承台结构局部拉应力超限，引发混凝土温度裂缝。连接基础和桥墩的承台是主要受力构件，必须进行承台水化热温度计算，控制结构裂缝的出现。

2 承台水化热有限元分析

由于本工程水闸承台结构的对称性，取其1/2进行Midas实体单元有限元模拟，并将地基拟定为一定比热及热传导率的结构，承台顶面按照第三类边界条件设计，并将模型划分为1.4362万个节点和1.1086万个单元。承台水化热有限元模型见图1。

图1 1/2承台水化热有限元模型

根据有限元分析结果，该水闸承台大体积混凝土浇筑过程中温度上升速率较快，在浇筑后20h水化热温度即达到最大值，承台首层混凝土内部结构温度最大为51.9℃，表面温度最大为37.4℃；承台第二层混凝土内部结构温度最大为48.5℃，表面温度最大为40.1℃。结合《大体积混凝土施工技术规范》的相关规定可以得出，该水闸承台大体积混凝土在设计配合比下绝对温升值[1]可达85.3℃，为此，必须进行循环冷却水管科学合理的设置，以有效降低承台大体积混凝土结构水化热温度的增长及对结构稳定性的不利影响。模型计算理论值见图2和图3。

图2 承台大体积混凝土首层水化热温度理论值

图3 承台大体积混凝土第2层水化热温度理论值

3 承台水化热过程分析

大体积混凝土浇筑温度、施工进度、环境温度、表面保护等是影响浇筑后温度及水泥水化热温升的主要因素。为增强承台大体积混凝土温度计算结果的准确性，必须选择恰当的方法，并选择正确的材质参数。

3.1 混凝土性能

后环海堤水闸结构封底C20混凝土28 d强度31.7 MPa，根据《预应力混凝土桥涵设计规范》可以得出，其弹性模量为2.48×104MPa，泊松比0.3，密实度0.235×104kg/m3。水闸承台C30混凝土28 d强度40.4 MPa，根据相关规范，其弹性模量3.10×104MPa，泊松比0.27，密实度0.237×104kg/m3。

参照《大体积混凝土温度应力及温度控制》及相关规范，当环境温度20℃时，原材料及混凝土物理热学性能见表1和表2，根据水泥、粉煤灰、砂、碎石、水、外加剂等原材料的热学性能并按照重量进行加权计算，可得出封底混凝土和承台混凝土的热学性能参数[2]。

表1 原材料及混凝土热学性能

表2 混凝土物理热学性能

根据《大体积混凝土温度应力及温度控制》可以得出普通硅酸盐水泥水化热系数取328 kJ/kg，并根据水泥水化热系数计算后环海堤水闸承台混凝土绝热温升，公式如下：

θ0=Q0(W+kF)/c/ρ

式中：θ0为后环海堤水闸承台混凝土绝热温升，℃；Q0为水泥水化热系数；W为后环海堤水闸承台水泥用量，kg；k为温度折减系数，粉煤灰取0.25；F为后环海堤水闸承台混凝土混合料用量，kg；c为混凝土比热；ρ为混凝土密度。

将后环海堤水闸承台混凝土相关数据代入式(1)可以得出其承台混凝土绝热温升为46.9℃。

3.2 分析条件

按照后环海堤水闸施工工期安排，承台施工在8月份进行，环境平均气温为26.8℃，按照相关规范，混凝土应按浇筑施工时环境温度+3℃进行控制，所以分析过程中取混凝土温度为30℃。

在进行承台大体积混凝土温度计算时，边界分析条件拟定如下：若对承台桩基支撑条件进行弹簧模拟，便无法进行承台桩基热量传递过程的模拟，所以本文采用封底混凝土进行承台底部传热过程的模拟，C20混凝土设计厚度0.5 m，并赋予一定的比热条件和热传导率值，以进行承台混凝土水化热传递过程的模拟。

3.3 计算要点

混凝土水化热升温是导致承台混凝土体积变形的主要原因，混凝土材料在其持续硬化的过程中升温，并在环境影响下温度下降，最终趋于稳定。因混凝土结构导热系数不大，受到边界条件的限制后其内部各点温度均会在不同程度上偏离初始温度，并形成同时受到内外部约束的非线性温度应力场，其温度应力若超出同龄期混凝土结构的抗拉强度便会引发温度裂缝的产生。

为深入分析承台大体积混凝土水化热对混凝土结构的影响机理，设置循环水冷却和不设置循环水冷却两种环境，并采用MIDAS Civil程序构建实体模型，分别进行承台混凝土水化热温度应力的比较以及不设置循环水冷却对承台混凝土水化热不利影响的分析。

4 结果分析

4.1 温度特征值分析

根据MIDAS Civil程序对不设置循环水冷却的情况下承台浇筑后第10 h、20 h、60 h及160 h的温度时程图进行分析，并选择模型中温度最高和温度最低点位进行分析结果的查看。结果表明，在不设置循环水冷却的情况下，温度最高点位通常位于承台大体积混凝土结构内部，且最高温度一般出现在混凝土浇筑结束后的1 d～2 d。根据承台大体积混凝土浇筑后不同时间段内的温度特征点位温度特征值的分析发现，承台首层混凝土浇筑20 h后其结构内部最高温度达到51.9℃。

在设置循环水冷却的情况下，后环海堤水闸承台大体积混凝土分层浇筑施工时其结构内部降温主要通过布设冷却水管实现，以控制其水化热温度达到设计温度要求。承台分两次浇筑施工，单次浇筑高度控制在3.0 m，冷却水管采用导热性良好，强度符合设计要求的公称口径50 mm的薄壁钢管，按照1.0 m的层间距回形均布，共布设6层，与周围边缘的距离为0.5 m，并在每层冷却水管处均分别设置6个进出水口，以保证冷却水在承台内部循环过程中水温不会快速升高，并能迅速带走热量，使承台内部混凝土材料温度迅速降低。冷却水管的平面和立面布置见图4，其中1为进水口，2为出水口。

(a)平面布置

应用MIDAS Civil程序进行承台内部设置冷却水管情况的分析，便可得出承台浇筑后10 h、20 h、60 h及160 h的温度时程图。为进一步分析本工程承台大体积混凝土水化热特征，选择模型中温度最高和温度最低点位进行分析结果的查看，结果显示，在承台大体积混凝土结构内部分层布设冷却水管降温效果十分显著，且温度最高点一般出现在冷却水管设置稀疏及靠近出水口的位置；承台大体积混凝土结构内部最高温度出现在浇筑后1 d～2 d内。根据不同浇筑时间段的温度时程图发现，混凝土浇筑20 d后结构内部温度达到35.4℃的最高值。

4.2 应力特征值分析

通过MIDAS Civil程序进行不设置和设置循环水冷却两种工况下承台浇筑混凝土应力特征值分析，具体包括不设置和设置循环水冷却情况下允许拉应力和结构拉应力之比的最小点位、不设置和设置循环水冷却情况下压应力最大点位应力特征值的分析，结果表明，在不设置和设置循环水冷却情况下混凝土浇筑20 h承台大体积混凝土表面拉应力最大值可达0.25 MPa和0.15 MPa。

5 结论

根据本文分析结果，在后环海堤水闸承台大体积混凝土中进行循环水冷却处理的情况下，混凝土浇筑20 h后内部最高温度从不设置循环水冷却情况下的51.9℃降至35.4℃，循环水冷却水管对承台大体积混凝土水化热降温过程效果显著。考虑到本工程水闸承台在不设置冷却水管的情况下混凝土浇筑后30 h内拉应力最大，而且施工时间安排在8月份，环境温度较高，水化热反应剧烈，所以，应通过增设冷却水管降低水化热对承台大体积混凝土浇筑过程的不利影响，控制温度裂缝的产生。