桥梁大体积混凝土基础温度应力敏感性分析

杜春伟

摘要 大体积混凝土在施工过程中容易受到温度应力的影响而产生裂缝，严重影响桥梁的安全性和耐久性。为了进一步掌握不同因素对大体积混凝土温度应力的影响规律，文章通过建立承台数值模型研究了冷却水管间距、通水温度、混凝土浇筑温度以及冷却水流速对大体积混凝土内部温度应力的影响规律。研究结果表明：混凝土内部温度应力随着通水温度与浇筑温度间差距的增大而增大，冷却水温与浇筑温度相近时最佳；混凝土内部温度应力随着冷却管布置间距的减小而减小，其中1.5 m间距和1 m间距的温度应力值相近，且都远小于3 m间距时的温度应力，综合考虑铺设成本和混凝土内部的温度应力，冷却管间距为1.5 m时最佳；冷却水流速对混凝土内部温度应力影响较小，在实际工程中参考冷却管管径选择合适的冷却水流速即可。

关键词 大体积混凝土；桥梁基础；温度应力；数值模型；冷却水管

中图分类号 TU755.7文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）08-0101-03

0 引言

随着我国基础建设的快速发展，大体积混凝土在桥梁基础工程中的应用越来越广泛[1-2]。大体积混凝土在浇筑过程中，水泥的水化反应会释放出大量的热量，使混凝土内部温度快速升高[3]。由于混凝土自身传热性较差，而外表面散热较快，使其内部温度较高，外部温度较低，形成较大的内外温差，导致大体积混凝土产生了较大的温度应力[4]。一旦温度应力过大，超过了混凝土的抗裂能力，混凝土就会产生裂缝，影响工程质量和安全。在实际工程中，通常以铺设冷却水管的方式来降低大体积混凝土内部温度，从而控制混凝土内部温度应力。谭海苗等[5]分析了大体积混凝土温度应力受冷却措施和冷却水温的影响程度，对冷却措施进行了优化。赵一博[6]分析了大体积混凝土温度场受外界气温环境的影响规律，对工程施工养护方案进行了优化。

基于此，为了进一步掌握不同因素对大体积混凝土温度应力的影响规律，通过建立承台数值模型研究了冷却水管间距、通水温度、混凝土浇筑温度以及冷却水流速对大体积混凝土内部温度应力的影响规律，为类似项目提供了指导和借鉴。

1 工程概况

某大桥为双索双塔斜拉桥，索塔基础形式为钻孔灌注桩+承台，所用混凝土等级为C40。承台混凝土总方量为6 094 m3，长、宽、厚分别为54.6 m、18.4 m和6 m，为大体积混凝土工程。施工承台时共分2次浇筑，每次浇筑厚度为3 m。为避免分层浇筑基础时的时间间隔过长，对基础形成较大的约束，设置每层浇筑间隔为7 d。大体积混凝土在浇筑时会释放大量热量，产生较大的内外温，因此在工程中通常设置冷却水管来降低混凝土内部温度，抑制裂缝的形成。因为基础承台由2次浇筑而成，故铺设2层冷却水管，每层冷却水管和起始浇筑面的距离均为0.4 m。

2 大体积混凝土承台数值模型

通过冷却水管降低大体积混凝土浇筑时的内部温度时，冷却水管布置间距、冷却水通水温度、冷却水流速均会影响冷却管温控效果，从而改变混凝土内部的温度应力。此次通过建立承台数值模型，分析上述因素对大体积承台浇筑时内部温度应力的影响程度。

2.1 模型的建立

由于承台结构对称且2次浇筑厚度一致，因此仅构建承台1/2的数值模型，并只对第一层浇筑混凝土内部温度场进行模拟。分别采用SLIOD单元和FLUID116单元模拟工程所用混凝土和冷却管，模型节点共有9 788个，实体单元共有8 632个，如图1所示为模型示意图。

2.2 参数和边界条件

为了便于分析不同因素对大桥基础承台温度应力的影响，设置所用混凝土、冷却管、冷却水的相关参数如表1所示，3 m/s和15 ℃分别为风速和环境温度。模拟时根据热传导方程计算混凝土温度场，其初始条件为混凝土内部初步释放热量，同时温度在瞬间传递时分布情况，具体可通过式（1）表示：

T（x，y，z）T（x，y，z）=T0（x，y，z）=a （1）

式中，a——一常数。

由于实际工程中大体积混凝土内部温度会受到多方面因素的影响，导致温度场模拟时的边界条件难以确定。朱伯芳[7]对上述情况可能存在的边界条件进行了分析和归类，共得出4种边界类型，在此次模拟中，承台四周和顶部均与空气直接接触，且施工方式为分层浇筑，为第3种边界类型，具体表示方式如式（2）所示：

（2）

式中，n——计算面的外法线方向；β——混凝土表面放热系数。

3 分析模拟结果

3.1 冷却管通水温度的影响

冷却水管间距、混凝土浇筑温度和冷却水流速分别设为1.5 m、15 ℃和0.1 m/s，模拟计算大体积混凝土冷却水在19 ℃、15 ℃、11 ℃和7 ℃通水温度下的温度应力场，如图2所示为不同通水温度下第一层浇筑时混凝土应力场中第一主应力变化曲线。从图2中能够发现，通水温度不同时，混凝土第一主应力的大小也有所不同，随着通水时间的增长，均表现为先快速增大，后逐渐保持稳定的趋势，且通水温度越低，混凝土内部的温度应力也越大，通水温度与浇筑温度差距越小，混凝土内部温度应力就越小。这是由于在通水初期，冷却水温度与混凝土内部温度相差大，形成了较大的温度应力，当持续通水一段时间后，冷却水与混凝土发生热量交换，两者温差逐渐减小，所产生的温度应力也逐渐保持不变。对通水冷却后混凝土内部最高温度进行计算，结果如表2所示。

从表2中能够发现，混凝土内部温度峰值在每降低4 ℃冷却水温时约降低1.22 ℃，这说明能够通过降低冷却水温的方式来控制混凝土内部温度，但控制效果一般。结合以上分析，若仅通过持续降低冷却水温度来控制混凝土内部温度，则会造成较大的温度应力，使混凝土内部产生温度裂缝，影响承台整体质量，所以综合考虑后冷却水温与浇筑温度相近时最佳。

3.2 冷却水管布置间距的影响

冷却水流速、冷却水通水温度、混凝土浇筑温度分别设为0.1 m/s、15 ℃和15 ℃，对冷却管不同水平间距（3 m、1.5 m和1 m）下第一浇筑层内第一主应力进行计算，具体结果如图3所示。从图3中能够得出，冷却管铺设间距对混凝土内部温度应力影响较大，混凝土内部温度应力随着冷却管布置间距的减小而减小。其中1.5 m间距和1 m间距的温度应力值相近，同时都远小于3 m间距时的温度应力，综合考虑铺设成本和混凝土内部的温度应力，冷却管间距为1.5 m时最佳。

3.3 冷却水流速的影响

冷却水管间距、混凝土浇筑温度和冷却水通水温度分别设置为1.5 m、15 ℃和15 ℃，对冷却管中冷却水不同流速（0.3、0.2和0.1 m/s）下第一浇筑层内的第一主应力进行计算，具体结果如图4所示。从图4中能够得出，3种冷却水流速下混凝土内部温度应力变化趋势和大小相差较小，这表示冷却水流速对混凝土内部温度应力影响较小，在实际工程中参考冷却管管径选择合适的冷却水流速即可。

3.4 混凝土浇筑温度的影响

冷却水管间距、冷却水流速和冷却水通水温度分别设置为1.5 m、0.1 m/s和15 ℃，对不同混凝土浇筑温度（12、15和18 ℃）下第一浇筑层内的第一主应力进行计算，具体结果如图5所示。从图5中能够得出，随着浇筑温度的提高，承台混凝土内部温度应力也随之增大，浇筑温度越大，初始能量和内部的热量就越高，加大了混凝土内外温度的温差，导致温度应力增大。同时能够发现，混凝土内部拉应力峰值发生的时间会因浇筑温度的增大而提前，浇筑温度每增大10 ℃，拉应力峰值发生的时间就会提前一天。而在混凝土浇筑过程中，其强度随着时间的增长而提高，浇筑温度增大而导致的混凝土温度应力峰值提前会对混凝土质量造成负面影响，因此在浇筑混凝土时要结合施工条件和环境温度选择合适的浇筑温度。

4 结论

大体积混凝土内部温度应力对混凝土的整体质量影响较大，通过建立承台数值模型研究了不同因素对大体积混凝土内部温度应力的影响程度，主要得出以下结论：

（1）通水温度不同对混凝土内部的温度应力影响较大，通水温度与浇筑温度差距越大，混凝土内部温度应力也越大，因此无法通过持续降低冷却水温的方式来控制混凝土内部温度，综合考虑后冷却水温与浇筑温度相近时最佳。

（2）冷却管铺设间距对混凝土内部温度应力影响较大，混凝土内部温度应力随着冷却管布置间距的减小而减小。其中1.5 m间距和1 m间距的温度应力值相近，同时都远小于3 m间距时的温度应力，综合考虑铺设成本和混凝土内部的温度应力，冷却管间距为1.5 m时最佳。

（3）冷却水流速对混凝土内部温度应力影响较小，在实际工程中参考冷却管管径选择合适的冷却水流速即可；随着浇筑温度的提高，承台混凝土内部温度应力也随之增大，且混凝土内部拉应力峰值发生的时间会因浇筑温度的增大而提前，因此在浇筑混凝土时要结合施工条件和环境温度选择合适的浇筑温度。

参考文献

[1]郑传厂， 蒋清吉. 基于码头大体积混凝土冷却水管的控裂效果研究[J]. 中国水运， 2018（9）： 135-136+171.

[2]陈聪， 孙冬， 杨春峰， 等. 低温条件下大体积混凝土温控与防裂措施[J]. 水泥工程， 2023（3）： 91-94.

[3]贺罗， 李雄飞， 唐斌峰. 桥梁施工中大体积混凝土裂缝成因及处理对策[J]. 公路， 2019（9）： 98-101.

[4]王修山， 侯宁. 水管冷却对大体积混凝土温度应力的影响研究[J]. 混凝土与水泥制品， 2019（8）： 15-18.

[5]谭海苗， 刘阳. 冷却水温对大体积混凝土温度应力的影响[J]. 吉林水利， 2023（9）： 46-49+65.

[6]赵一博. 气温骤降对大体积混凝土温度场的影响研究[D]. 西安：西安建筑科技大学， 2023.

[7]朱伯芳. 考虑外界温度影响的水管冷却等效热传导方程[J]. 水利学报， 2003（3）： 49-54.