金沙江特大桥承台及塔座大体积混凝土施工中温度控制技术分析

沈 托

(中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100000)

1 工程概况

金沙江特大桥桥梁起点桩号K96+279，桥梁终点桩号K96+844，主桥采用340 m+72 m+48 m+32 m独塔斜拉桥，上部结构边跨采用预应力混凝土箱梁，中跨采用P-K钢箱梁；引桥采用2×35 m叠合梁；下部结构采用柱式桥台、柱式墩、门架墩、箱型墩，工程采用钻孔灌注桩为基础。2#墩承台尺寸为17.1×8.1×3.5 m，承台顶标高+574 m，混凝土标号为C40，方量484.8 m3，采取一次性浇筑；3#主塔承台尺寸为37×23.5×5.5 m，承台顶标高+585 m，混凝土标号为C40，方量4 782.3 m3，浇筑作业分为两次。

2 大体积混凝土温控思路及重难点

2.1 温控思路

(1)原材料的合理选用及配合比试验，降低混凝土的绝热温升及最高温度峰值。

(2)开展混凝土表面保温措施时，要考虑到施工季节、工程实际环境、气候温度等因素，选择最为适宜的措施，以使混凝土的内外温差缩小，减小温度梯度。

(3)为降低混凝土内部温度峰值，对内部的降温速度进行科学控制，可采用内部冷却水循环系统，同时采用监测系统对温度进行实时监控与智能控制。

(4)将混凝土上下层间的温差控制在标准范围内，以预防层间裂缝的产生，避免对工程后续工作产生不良影响。

2.2 温控重难点

本项目地处黔贵川三省交界处，位于昭通，距离四川凉山及贵州六盘水均较近。此地为高原山区，海拔较高，交通不便，各类材料的运输及采购极为不便。常规温控需采用冰块进行处理，大体量冰无法一次性到位，故需较长的采购及运输周期。同时运输到位后需采用保温车进行保温，确保冰块整体温度满足要求方可进行大体积混凝土的浇筑，整体费用较高，周期较长，技术控制较难。

3 材料控制

3.1 水泥

对于承台C40及塔座C50混凝土，为减缓水泥的水化反应速度和混凝土早期强度的增长速度，降低混凝土内部的温升值。

3.2 外加剂

为满足混凝土浇筑时长，可调整减水剂掺量，适当延长混凝土拌合物的初凝时间。展开减水剂和水泥适应性试验，为保证混凝土的有效初凝时间，将减水剂成分适当调整。优选减水率高、性能稳定的聚羧酸高效减水剂，控制每方混凝土水泥的用量，以此来降低混凝土的水化热温升。

3.3 粉煤灰

水泥配合比采用Ⅰ级粉煤灰，以确保混凝土的工作性能。

3.4 细骨料和粗骨料

本工程在选用材料时应符合标准：细骨料含泥量应≤3.0%，细度模数≥2.5。粗骨料选用5～25 mm连续级配碎石。粗骨料含泥量≤1.0%，提前水洗粗骨料。现场试拌混凝土，按粗细骨料水率的实际数据，在总用水量中扣除，保证实际水灰比的准确无误。

4 温控计算及结果分析

4.1 计算参数及计算模型

(1)热学参数和力学参数

①混凝土的力学参数：对于硅酸盐水泥配合比混凝土，采用规范取值。

②混凝土收缩徐变：收缩徐变按Midas/Civil中的中国公路规范JTG D62-2015计算。

③环境气温：环境气温是影响浇筑温度的一项重要因素，本次温控计算将环境温度初步设定在24 ℃。

④混凝土入模温度：暂取24 ℃～26 ℃为本次计算混凝土入模温度。在进行承台及塔座施工作业时，温度计算以实际入模温度取值。

⑤冷却水管：江水温度取24 ℃，升温阶段流量取3 m3/h，降温阶段取1.0 m3/h。温控过程中，工作人员需根据承台塔座内部温度场监测情况，适当调整冷却水管的进水流量及进水温度。

表1 温控计算参数表

根据现场情况及经验，拟采用如下的布置方式：冷却水管直径均为40 mm，水平间距为1.0 m。承台的第一层厚度布置为3.0 m，第二层厚度布置为2.5 m，塔座的厚度为2.0 m。冷却水管和顶面的高度间距分别为0.5 m+2 m×1.0 m+0.5 m、0.75+1.0+0.75 m、0.5+1.0+0.5 m。

(2)边界条件

①对流边界：通过分析设计后确定，承台和塔座的顶面采用如下保温措施：铺设防雨布、塑料薄膜、土工布各1层；承台侧面为：防雨布和土工布各1层，等效换热系数取15 kJ/(h·℃)。在具体操作时，应根据实际情况适当调整承台的表面保温措施，使保温措施得以发挥最佳效果。

②约束边界：在激活承台时以混凝土浇筑的先后顺序进行激活，先激活承台1层，后激活2层，同时将实际的龄期差考虑进去展开模拟计算。

③浇筑间隔期：浇筑间隔期10 d。实际施工时应尽量缩短间隔期。

(3)计算模型

模型中含垫层混凝土。针对具体对象考虑其实际施工环境条件、结构特点、混凝土性能以及分层浇筑条件，分别建立有限元模型，确定边界条件进行计算。

4.2 承台的温控计算结果

(1)温度计算结果

表2 温度计算结果

根据温度计算结果，承台第一层混凝土在入模温度24 ℃条件下，温峰值为54.1 ℃，里表温差小于20 ℃。承台第二层混凝土在入模温度24 ℃条件下，温峰值为55.4 ℃，里表温差小于20 ℃。塔座混凝土在入模温度26 ℃条件下，温峰值为61.8 ℃，里表温差小于20 ℃。

(2)应力计算结果

混凝土温度变化时，应力的变化存在规律性，主要表现为。

①升温阶段。当混凝土内部的温度达到温度最高点时，混凝土表面的拉应力相对比较大。

②降温阶段。混凝土内部的压应力会慢慢转变成拉应力。

根据应力计算结果，承台第一层混凝土的主拉应力、承台第二层混凝土的主拉应力，塔座第一层混凝土的主拉应力分别为见表3所示。

表3 应力计算结果

5 温度控制标准及措施

5.1 混凝土温度控制标准

根据目前行业规范和标准，同时结合本工程温控数值模拟计算，所拟定的主要温控标准见表4。

表4 主要温控标准值

5.2 混凝土温度控制措施

(1)控制混凝土的入模温度。在传热边界条件及混凝土配合比相同的前提下，混凝土的入模温度越高，其温度的最大值也越高，由此导致的温度变形、内外温差也会更大。与此同时，混凝土的水化反应速率和入模温度呈正比关系，入模温度过高的情况下，会在混凝土浇筑初期释放绝大部分水化热，不利于混凝土温控。因此，想要实现对混凝土的温度控制，首先需控制降低入模温度。

(2)合理布置冷却水管，保证水管布置的科学性。当前承台的冷却水管水平间距为1 m，单个水管管路长度小于200 m，与其他类似工程相比，水平范围内的布置形式在合理范围内。

(3)对于冷却水管的管路要做到：单独编号，独立设置水管开关、流量计等设施，以此来提升后期使用时的便利性，工作人员可根据实际情况及需求随时调整流量。升温阶段通江水，流量取3 m3/h；降温阶段进水流量取1.0 m3/h，同时进行冷却水循环，对降温速度予以控制。在进行温控时，根据冷却水的进水温度及承台内部温度场监测情况，相应调整流量或进水温度。承台浇筑后，如因特殊原因，出现冷却水管无法及时通水的情况，应将混凝土内部和冷却水的温差控制在25 ℃以内。

(4)做到科学养护。应在覆盖塑料薄膜前在混凝土表面浇洒温水，完成后再进行塑料薄膜的覆盖，要做到覆盖严密不暴露，减少由于日晒或风干时造成的水分流失。养护过程中如发现混凝土表面干燥缺水，应及时对塑料薄膜下方适当补水，不宜大面积浇水，可以在天气晴朗，日光充足的气候下进行补水，用以养护的水温应该高于混凝土的表面温度。大体积混凝土的保湿养护时间应在14 d以上。

6 结论及建议

(1)需准确预测分析混凝土的温度场及温度应力，科学定制温控方案，以防范大体积混凝土产生危害性温度裂缝，保证大体积混凝土结构的施工质量。本文采用的数值模拟+实际分析的方法经实践证明是卓有成效的，值得推广。

(2)数值模拟模型的建立需基于实际施工情况，根据冷却水管的位置，合理设置边界条件及初始条件，方能针对实际施工案例进行准确分析。本文针对金沙江特大桥案例的承台及塔座进行专项模拟，根据数值模拟计算得控制参数，经实践证明满足施工要求。

(3)数值模拟仅能针对施工材料过程进行模拟，无法针对材料初始进行模拟，因而这部分需基于经验及实际进行研究及探讨，方能有机结合数值模拟结果，指导施工。

(4)由于建设过程较为仓促，无暇针对施工过程进行全过程监测布置。今后若有类似案例，可进行温度及应力监测专项布置，用以掌握整个施工过程中的动态变化，并与模拟结果进行比对，用于进一步优化方案，指导类似项目的施工。