侯敏+陶燕+李立君+陳蓉+李淑國

摘要：大體積混凝土溫度控制技術(shù)最早應(yīng)用于大壩工程，目前水利部門在溫控計算方法、原材料與配比的選擇、骨料的人工冷卻、加冰拌合、通水降溫、保溫材料、溫控指標(biāo)的確定、養(yǎng)護以及配套機械設(shè)備等方面已形成了較為完善的體系。本文以某橋梁工程為例，介紹了溫度控制的計算方法，并對本工程的計算結(jié)果進行了溫度場計算分析和應(yīng)力計算分析。望能夠?qū)σ院蟮臏乜毓こ套鞒鲆恍﹨⒖肌?/p>

Abstract： The mass concrete temperature control technology was first used in dam engineering. At present， the water conservancy department in the calculation method of temperature control， and the ratio of raw material selection， artificial aggregate cooling， ice mixing， cooling， heat insulation materials， the temperature indicators determining， maintenance and supporting equipment etc. has formed a more perfect system. Taking a bridge project as an example， this paper introduces the calculation method of temperature control， and analyzes and calculates the temperature field and stress calculation of the calculation result of this project， hoping to make some reference to control engineering later.

關(guān)鍵詞：橋梁工程；溫度控制；計算方法；結(jié)果分析

Key words： bridge engineering；temperature control；calculation method；result analysis

中圖分類號：U445.57 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）34-0108-05

1 工程概況

本工程的全橋跨徑組成為（5×30）m+（75+4×130+75）m，主橋為6跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁—剛構(gòu)組合體系，其中7#、8#、9#橋墩與主梁固結(jié)，6#、10#橋墩與主梁通過盆式支座連接，引橋為5跨30m預(yù)應(yīng)力混凝土先簡支后連續(xù)T梁。主橋下部結(jié)構(gòu)橋墩采用實體板墩、鉆孔灌注基樁礎(chǔ)。主橋橋型布置圖見圖1。本橋梁按雙向四車道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，橋面總寬24.5m，橋面布置為：2×[0.5m（防撞護欄）+3.5m（非機動車道）+2×3.75m（車行道）+0.5m（防撞護欄）]+0.5，橋面橫坡為雙向2.0%。主橋按雙幅橋布置，單幅橋?qū)?2.0m。

2 溫度控制指標(biāo)

大橋零號塊高標(biāo)號大體積混凝土溫度控制的主要指標(biāo)，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范結(jié)合以往工程經(jīng)驗，規(guī)定如下：

①混凝土入模溫度應(yīng)不低于5℃，且不宜超過28℃；

②混凝土澆筑體的里表溫差不宜大于25℃；

③混凝土澆筑體內(nèi)部最高溫度值不應(yīng)大于75℃；

④低溫季節(jié)拆模應(yīng)選擇氣溫較高時段并立即采取保溫措施；混凝土表面溫度與環(huán)境溫度之差大于15℃時應(yīng)推遲拆模時間；

⑤降溫速率宜不大于2℃/d。

3 相關(guān)參數(shù)應(yīng)用

3.1 溫度參數(shù)

數(shù)值計算中環(huán)境溫度取月平均氣溫。入模溫度估算時，砂石骨料的溫度也取月平均氣溫，根據(jù)工程經(jīng)驗，在不采取人工制冷措施的情況下，實際入模溫度比澆筑時前幾天的平均氣溫高4℃-7℃左右。此外考慮到規(guī)范對入模溫度的限制要求，零號塊大體積砼溫控計算時各溫度參數(shù)的取值見表1。

3.2 混凝土熱力學(xué)參數(shù)

3.2.1 混凝土配合比

計算時，混凝土彈性模量及強度隨時間的發(fā)展變化，混凝土的絕熱溫升以及水泥水化熱等參數(shù)應(yīng)通過嚴(yán)格的試驗確定。當(dāng)無試驗資料時可根據(jù)規(guī)范及經(jīng)驗取值。由施工單位提供的零號塊C55混凝土的配合比見表2，該配比的7天強度約55MPa，28天強度約65MPa。

3.2.2 混凝土的絕熱溫升

在無水泥水化熱等實驗資料的情況下，參照朱伯芳的《大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制》中關(guān)于絕熱溫升的經(jīng)驗公式：

Qt=

Q—每千克水泥最終水化熱量（kJ/kg），52.5級普通硅酸鹽水泥水化熱按經(jīng)驗取值為350kJ/kg；

W—為每立方米混凝土中水泥的用量（kg/m3）；

k—折減系數(shù)，對于粉煤灰，可取k=0.25；

F—混合材用量（kg/m3）；

c—混凝土的比熱，一般取0.96kJ/kg·℃；

ρ—混凝土質(zhì)量密度，取2455.72kg/m3。

最后求出水泥水化熱絕熱溫升：Qt=65.6℃。

根據(jù)《大體積混凝土施工規(guī)范》（GB50496-2009）附錄B.1.4，熱源函數(shù)按如下公式計算：T（t）=（1-e-mt）

式中：T（t）—混凝土齡期為t時的絕熱溫升；

W—每方混凝土的膠凝材料用量；

C—混凝土的比熱，取0.96kJ/kg·℃；

ρ—混凝土的重力密度；

m—與水泥品種、澆筑溫度等有關(guān)的系數(shù)，反映了混凝土的發(fā)熱速率，根據(jù)工程經(jīng)驗，在入模溫度分別取15℃、20℃、25℃、28℃時，m的取值分別為0.8、1.1、1.3、1.4。endprint

3.2.3 混凝土熱力學(xué)性能參數(shù)

混凝土物理、熱學(xué)性能參數(shù)選取見表3。

3.2.4 混凝土的彈模與強度

混凝土的強度及彈性模量隨時間的變化規(guī)律按Midas/Civil中的CEB-FIP規(guī)范取用。

3.2.5 混凝土收縮徐變

收縮徐變參數(shù)按按Midas/Civil中的CEB-FIP規(guī)范取用，其中環(huán)境相對濕度取70%。

3.2.6 邊界條件

零號塊四周及頂面與外界環(huán)境之間的熱對流邊界條件，初步根據(jù)不同月份采取的保溫措施按表1選用，人洞及箱室的內(nèi)模為木模，保溫效果較好，具體的表面放熱系數(shù)還應(yīng)根據(jù)溫度實測結(jié)果進行修正。

建模時取部分墩身和零號塊一起計算，以模擬墩身對零號塊的約束作用，墩身底部偏安全的取為固定約束。

4 方案設(shè)計

溫控計算采用有限元橋梁專用程序Midas/Civil進行，該程序用于溫控計算的有以下主要特點：

①該程序可以對施工期溫度場及仿真應(yīng)力場進行模擬分析；

②能夠考慮混凝土分層澆筑方式、入模溫度、澆筑層厚度、施工間歇、混凝土及基礎(chǔ)彈模變化、外界水溫及氣溫變化、混凝土向各種介質(zhì)進行熱量散發(fā)及徐變收縮等復(fù)雜因素的模擬，能夠模擬實際的施工過程。

4.1 施工前的預(yù)測計算

在開始施工之前，根據(jù)混凝土配合比、絕熱溫升、混凝土強度（抗拉及抗壓）、彈模的增長曲線、混凝土比熱、熱傳導(dǎo)系數(shù)，以及施工方法、約束邊界條件和對流邊界條件等參數(shù)，在Midas/Civil的水化熱計算模塊中，建立施工的有限元仿真模型，并進行模擬計算，得出大體積混凝土施工和養(yǎng)護過程中的溫度場和應(yīng)力場的初步結(jié)果，根據(jù)計算結(jié)果，預(yù)先制定合理適當(dāng)?shù)拇篌w積混凝土表面養(yǎng)護和內(nèi)部降溫措施。

4.2 施工及養(yǎng)護過程中的預(yù)測計算

在開始施工過程中，根據(jù)大體積混凝土實際的施工方法、約束邊界條件和對流邊界條件等參數(shù)，以及每階段的監(jiān)測結(jié)果，對有限元仿真模型進行修正計算，再根據(jù)計算結(jié)果對大體積混凝土內(nèi)部溫度場的變化趨勢進行預(yù)測，根據(jù)需要隨時調(diào)整的大體積混凝土養(yǎng)護措施，嚴(yán)格控制表面混凝土的溫度梯度、內(nèi)部混凝土的內(nèi)外溫差和降溫速率，防止大體積混凝土產(chǎn)生有害裂縫。

5 計算結(jié)果及分析

零號塊的有限元仿真計算模型和各層混凝土的施工過程模擬見圖2。冷卻水管線路按照實際布置線路和位置模擬。各層混凝土的施工順序、間歇期、對流邊界、約束邊界等按照實際施工情況模擬。

零號塊厚8.0m，分兩次澆筑5.0m+3.0m，共11642個單元。

5.1 溫度場計算結(jié)果及其分析

5.1.1 溫度計算結(jié)果

根據(jù)工程進度安排和橋址區(qū)的氣溫條件，零號塊分15℃、20℃、25℃、28℃四種入模溫度工況進行計算。溫度計算結(jié)果見表4，以入模溫度20℃的工況為例，零號塊混凝土內(nèi)部最高溫度場分布云圖見圖3～圖4，芯部與表面等關(guān)鍵測點的溫度時程曲線見圖5～圖6。

為了反應(yīng)冷卻水管的降溫效果，以入模溫度20℃為例，分布置冷卻水管與不布置冷卻水管兩種工況計算，見表5。

5.1.2 溫度場計算分析

①零號塊為高標(biāo)號大體積混凝土，水泥用量多，溫度峰值高，由計算可知，為了使最高溫度不超過《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》的要求（不大于75℃），應(yīng)把入模溫度控制在不超過22℃。

②當(dāng)混凝土入模溫度為15℃～28℃時，零號塊各層混凝土的計算溫度峰值在入模溫度基礎(chǔ)上的溫升值為46.3℃～56.1℃，入模溫度高的，放熱速率快，溫升值也較高。

③當(dāng)由水泥水化引起的升溫速率與由內(nèi)部水管及表面對流引起的散熱速率相等時，混凝土即達(dá)到溫度峰值。由表4易知，各次澆筑的入模溫度越高，相應(yīng)的溫度峰值越大，且峰值增量大于入模溫度的增量，這主要是因為入模溫度的升高導(dǎo)致水化放熱速率加快，進一步推高了溫峰值。

④入模溫度的升高，放熱速率加快，導(dǎo)致到達(dá)溫峰的時間提前，通水消峰的作用減弱，對溫控不利。

⑤與不布置冷卻水管相比，布置水管后，最高溫度降低8.3℃～9.9℃，約降低11%左右，而且到達(dá)溫峰的時間幾乎提前了一倍。

5.2 應(yīng)力計算結(jié)果及其分析

5.2.1 應(yīng)力場計算結(jié)果

降溫階段應(yīng)力計算結(jié)果見表6，以入模溫度20℃的工況為例，零號塊混凝土最大主拉應(yīng)力場分布云圖見圖7～圖8。

5.2.2 應(yīng)力場計算分析

在降溫階段計算的最大主拉應(yīng)力為3.10MPa～3.48MPa，總體來講澆筑層厚的比澆筑層薄的拉應(yīng)力要大，入模溫度高的，拉應(yīng)力也較大。

計算過程中發(fā)現(xiàn)，在升溫階段最大主拉應(yīng)力分布在冷卻水管周圍，這主要是因為升溫階段采用大流量通冷水以消減溫峰，導(dǎo)致水管周圍溫度梯度較大，自約束應(yīng)力偏大。不過升溫階段水泥的水化產(chǎn)物處在不斷生成的過程中，可不計該拉應(yīng)力的影響。但是降溫階段一定要注意通循環(huán)熱水，控制進水溫度與芯部溫差滿足規(guī)范要求，減小水管周圍的溫度梯度。

降溫階段最大主拉應(yīng)力的分布主要取決于零號塊各組成部分因為降溫不一致所引起的自約束情況，以及墩身和已澆筑第一次混凝土的外約束情況。零號塊第一次澆筑（5m）最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在頂面橫隔板與腹板交界處，主要是因為該處相互約束作用強且為多面散熱區(qū)域；墩身與底板交界面處，由零號塊的降溫收縮變形受到墩身的外在約束所致。零號塊第二次澆筑（3m）在降溫初期，最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在頂板順橋向中心附近，主要是因為第二次澆筑混凝土的降溫收縮變形受第一次澆筑混凝土的外在約束，且薄的翼緣板受腹板的約束所致；在降溫后期，最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在頂板靠近橫隔板中間部位，因為該處頂板相對較?。?0cm），受橫隔板和兩腹板約束作用強，在溫度收縮等作用下，產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。

6 結(jié)論

①入模溫度對溫控影響很大，施工中應(yīng)注意盡可能降低入模溫度；布置冷卻水管對消減溫峰作用顯著，施工中應(yīng)按要求布置水管。

②若要減小溫度應(yīng)力，降低開裂風(fēng)險，應(yīng)盡量縮短層間澆筑間歇期，減小外界約束；優(yōu)化配合比降低絕熱溫升，降低入模溫度以降低溫峰，從而減小總的溫度收縮變形；

③加強表面保溫保濕養(yǎng)護，降低表面開裂風(fēng)險；在暴露表面設(shè)置防裂鋼筋網(wǎng)，采用纖維混凝土以提高混凝土的抗裂能力和限制裂縫的發(fā)展。

參考文獻：

[1]張小川.橋梁大體積混凝土溫控與防裂[D].成都：西南交通大學(xué)，2006.

[2]劉柯.大體積混凝土溫度監(jiān)測及分析研究[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2005，32（3）：85-105.

[3]朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M].北京：水利電力出版社，2012.

[4]李偉雄.鋼筋混凝土筏形基礎(chǔ)溫度場、溫度應(yīng)力分析及裂縫控制[D].長沙：中南大學(xué)，2008.

[5]劉冰.橋梁大體積混凝土溫度裂縫控制與處理[[J].新材料新裝飾，2014（9）：593.

[6]Du Junheng. Control and treatment of temperature cracks in concrete bridge [J]. technology and market， 2015 （8）： 95-97.endprint