郜勇剛

（山西交通控股集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006）

根據(jù)GB 50496—2009《大體積混凝土施工規(guī)范》的定義，大體積混凝土是指實(shí)體最小幾何尺寸不小于1 m 的大體量混凝土。大體積混凝土在澆筑后，膠凝材料水化放熱使得結(jié)構(gòu)溫度大幅升高，由于這個(gè)階段的混凝土彈性模量還很小，徐變大，所以該階段溫度升高引起的應(yīng)力并不大；混凝土溫度隨時(shí)間逐漸降低時(shí)，材料硬化，彈性模量變大，而徐變小，在結(jié)構(gòu)物各種約束條件下會(huì)產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力。根據(jù)對引起大體積混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力的荷載研究表明，溫度應(yīng)力要比自重等其他荷載產(chǎn)生應(yīng)力的總和還要大，而且氣溫變化和水溫變化對大體積混凝土應(yīng)力狀態(tài)的影響十分顯著[1-2]。

在寒冷地區(qū)，如果大體積混凝土施工時(shí)不采取有效的溫度控制措施，會(huì)出現(xiàn)很嚴(yán)重的開裂現(xiàn)象，對結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性造成不利影響[3]。而低溫條件下大體積混凝土的施工控制本身就是一個(gè)工程難題。郭昆[4]等對高寒地區(qū)混凝土承臺進(jìn)行了溫度場模擬，并給出合理有效的溫控措施。本文以青海循化某鋼管混凝土拱橋的拱座為對象，對其進(jìn)行施工水化熱分析，以明確其混凝土澆筑過程中的溫度場分布，討論大體積混凝土施工過程中合理的溫控措施。

1 工程概況

位于青海省循化撒拉族自治縣的某鋼管混凝土拱橋，橫跨黃河中上游的公伯峽庫區(qū)兩岸，全長320 m，主跨為220 m 的上承式鋼管混凝土桁架拱。拱座為整體式擴(kuò)大基礎(chǔ)，采用C40 混凝土。南、北岸雙幅橋拱4 個(gè)拱座，混凝土工程量總計(jì)7 300 m3。青海地區(qū)冬季寒冷，晝夜溫差大，為了防止水泥水化熱效應(yīng)產(chǎn)生的裂縫，需要對該拱座澆筑過程的溫度場進(jìn)行分析。

圖1 拱座一般構(gòu)造圖（單位：cm）

拱座一般構(gòu)造尺寸如圖1 所示?；硬捎妹魍谑┕?，深入基巖部分澆筑混凝土?xí)r不立模板，基坑清理干凈后直接澆筑混凝土；風(fēng)化層范圍拱座后背回填采用C25 號片石混凝土，以保證拱座背面有效的土抗力作用。拱座施工采用定型鋼模板。

2 計(jì)算理論

大體積混凝土澆筑時(shí)，水泥的水化熱效應(yīng)使得結(jié)構(gòu)溫度大幅升高。雖然混凝土的溫度會(huì)隨時(shí)間冷卻降低，但是由于構(gòu)造尺寸以及環(huán)境條件的不同，各個(gè)位置的溫度下降并不均勻[5]。為了計(jì)算分析混凝土的溫度場，需明確以下內(nèi)容。

2.1 熱傳導(dǎo)方程

熱傳導(dǎo)方程是基于熱量平衡建立的溫度與時(shí)間和空間的關(guān)系，即混凝土結(jié)構(gòu)物溫度升高所吸收的熱量等于外界流入的凈熱量與水泥水化熱產(chǎn)生熱量之和[6]。方程式如式（1）所示。要解此方程，須知道邊界條件。

式中：T 為溫度，℃；a 為導(dǎo)溫系數(shù)，m2/h；θ 為混凝土的絕熱升溫，℃。

2.2 邊界條件

在多數(shù)情況下，溫度場的初始溫度分布可認(rèn)為是常數(shù)；求解方程（1）的邊界條件是指混凝土表面與周圍介質(zhì)之間溫度相互作用的規(guī)律。通?？煞譃橐韵?4 種：

a）混凝土表面溫度為時(shí)間的已知函數(shù)[7]，即

b）混凝土表面的熱流量是時(shí)間的已知函數(shù)，即

式中：λ 為導(dǎo)熱系數(shù)，kJ/（m·h·℃）；n 為表面外法線方向。

c）固體（如混凝土）與流體（如空氣）接觸時(shí)的傳熱條件，即

式中：β 為表面放熱系數(shù)，kJ/（m2·h·℃）。

混凝土結(jié)構(gòu)物廣泛適用于第三類邊界條件。在混凝土澆筑過程中，結(jié)構(gòu)物表面通常接觸模板或覆蓋保溫層，如若手算須計(jì)算混凝土通過模板或保溫層向外放熱的等效放熱系數(shù)βs[7]。

d）兩種固體的接觸良好，認(rèn)為在該接觸面上熱量和溫度均為連續(xù)，即

在4 種邊界條件中，混凝土結(jié)構(gòu)物中廣泛適用第三類邊界條件。

2.3 混凝土的絕熱溫升

在混凝土溫度場的計(jì)算中通常用絕熱溫升θ 表征水泥的水化熱量。計(jì)算水泥絕熱溫升有兩種方法，一種是直接試驗(yàn)測定；另外一種是有限元計(jì)算中常用的間接法，即先確定水泥水化熱，再根據(jù)混凝土的熱學(xué)性能計(jì)算得出[8]。

a）水泥的水化熱計(jì)算有指數(shù)式、雙曲線式和復(fù)合指數(shù)式3 種表達(dá)式。具體表達(dá)式如式（6）～式（8）所示：

式中：Q (τ) 為在齡期 τ 時(shí)的累積熱量，kJ/kg；Q0為τ→∞ 時(shí)的最終熱量，kJ/kg；τ 為齡期，d；m 為由水泥種類、澆筑溫度、比表面所確定的常數(shù)[7]。

b）混凝土的熱學(xué)性能包括導(dǎo)溫系數(shù)a（m2/h）、導(dǎo)熱系數(shù) λ [ kJ/（m·h·℃）]、比熱容 c 和密度 ρ（kg/m3）。三者之間關(guān)系為：

c）混凝土的絕熱溫升根據(jù)水泥水化熱計(jì)算公式為：

式中：W 為水泥用量；F 為混合材用量；k 為折減系數(shù)，對于粉煤灰，可取k=0.25。

3 有限元模擬

本文采用MIDAS FEA 有限元分析軟件進(jìn)行水化熱分析，具體計(jì)算過程如圖2 所示。

圖2 有限元計(jì)算過程

程序中水泥水化熱由指數(shù)式的熱源函數(shù)計(jì)算，根據(jù)混凝土中水泥含量、澆筑溫度、最大絕熱升溫值共同決定。根據(jù)混凝土配合比確定基本計(jì)算參數(shù)如表1、表2 所示。

表1 C40 混凝土配合比 kg

表2 混凝土的熱學(xué)性能

在邊界條件的處理中，通過固定溫度、絕熱邊界以及對流邊界進(jìn)行模擬簡化，其中對流邊界按照上文所述第三類邊界條件計(jì)算，混凝土熱量通過表面不同對流系數(shù)的接觸介質(zhì)向外釋放熱量。根據(jù)FEA計(jì)算手冊，混凝土與鋼模板接觸面的對流系數(shù)為23，保溫層的對流系數(shù)為3。計(jì)算單元采用六面體、八節(jié)點(diǎn)的實(shí)體單元。建立的拱座整體有限元模型如圖3 所示。由于該模型為對稱結(jié)構(gòu)，為了提高計(jì)算效率，且便于查看模型中心部位的分析結(jié)果，僅取1/2模型進(jìn)行計(jì)算分析。

圖3 拱座有限元模型

4 水化熱施工控制

4.1 控制措施

大體積混凝土施工時(shí)，溫度控制是防止裂縫和減小溫度應(yīng)力的最重要措施。通常采取以下幾方面措施：

a）選擇合理的結(jié)構(gòu)形式和分縫分層?；炷翝仓K的尺寸對溫度應(yīng)力有很大的影響，尺寸越大，越容易產(chǎn)生裂縫，實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和理論分析表面：當(dāng)澆筑平面尺寸在15 m×15 m 范圍之內(nèi)時(shí)，溫度應(yīng)力較小，約束高度為3～4 m。但是在寒冷地區(qū)，還需要采取更嚴(yán)格的保溫措施。

b）合理選擇混凝土原材料、優(yōu)化混凝土配合比，可提高混凝土抗裂能力。（a）選用低堿水泥，降低水泥水化產(chǎn)生的熱量。（b）選用性能良好的骨料，提高混凝土自身抗裂強(qiáng)度。（c）采用加入高效緩凝減水劑及粉煤灰的“雙摻技術(shù)混凝土”。在混凝土中摻入Ⅱ級粉煤灰取代部分水泥，以降低水化熱；在混凝土中摻用高效減水劑，延長混凝土初凝時(shí)間，滿足混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度，延緩水泥水化熱峰值出現(xiàn)的時(shí)間。

c）嚴(yán)格控制混凝土溫度是防止裂縫的最重要的措施，同時(shí)要減小溫差和表面溫度驟降。具體可通過降低混凝土澆筑溫度、水管冷卻和表面保溫的技術(shù)措施來實(shí)現(xiàn)。

d）在拱座施工階段，應(yīng)布置溫度測點(diǎn)，準(zhǔn)確測量、監(jiān)控混凝土溫度，確保施工質(zhì)量。根據(jù)規(guī)范及計(jì)算結(jié)果，建議按照以下方法進(jìn)行測點(diǎn)布設(shè)：（a）第1澆筑層布置3 層測點(diǎn)，分別為澆筑中心層、距離澆筑體頂面 50 mm 處和距離底面 50 mm 處。（b）第 2～6澆筑層均布置兩層測點(diǎn)，分別為澆筑中心層和距離頂面50 mm 處。（c）測點(diǎn)布置應(yīng)避開冷卻水管位置。

4.2 水化熱計(jì)算

根據(jù)上述分析，拱座施工時(shí)，采取分層分塊澆筑，每層厚度控制在4.0 m 范圍內(nèi)。每塊混凝土澆筑時(shí)，按豎向分層，水平分段，斜向推進(jìn)的辦法進(jìn)行混凝土的澆筑。兩層澆筑時(shí)間為了確保前后兩次澆筑的混凝土層之間連接的整體性，對混凝土表面進(jìn)行鑿毛、沖洗處理。在采取上述措施的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步防止混凝土在青海這種寒冷地區(qū)發(fā)生開裂，降低澆筑混凝土的內(nèi)外溫差，在每層混凝土內(nèi)部埋設(shè)循環(huán)冷卻水管降溫，同時(shí)在混凝土表覆蓋保溫層。

冷卻水管網(wǎng)原則上按照冷卻水由熱中心區(qū)流向邊緣區(qū)的原則分層分區(qū)布置，進(jìn)水管口設(shè)在靠近混凝土底層中心處，出水口設(shè)在混凝土頂層邊緣區(qū)，每層水管網(wǎng)的進(jìn)、出水口相互錯(cuò)開。冷卻水管采用壁厚1.2 mm、直徑50 mm 的薄壁鋼管。冷卻水管垂直間距和水平間距均為1.5 m。冷卻水管布置如圖4 所示。在混凝土養(yǎng)護(hù)過程中要不停頓地輸送冷卻水，采用循環(huán)水冷卻降低混凝土水化熱。保證進(jìn)水口有足夠的壓力和流量，使得進(jìn)出水溫差控制在10 ℃左右（不大于15 ℃）。

圖4 冷卻水管布置圖

采用MIDAS FEA 有限元軟件模擬南岸左幅4號拱座澆筑分層過程，并考慮2 m 的基巖厚度以及冷卻水管的布置，建立有限元模型如圖5 所示?；炷翝仓樞蚰M如表3 所示。

圖5 有限元計(jì)算模型

表3 混凝土施工階段模擬

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

圖6 第三層混凝土澆筑溫度場

圖7 混凝土澆筑過程最高溫度

由圖6 和圖7 顯示的計(jì)算結(jié)果可知：拱座混凝土澆筑過程中，第三層澆筑時(shí)達(dá)到最高溫度為53.8 ℃，此時(shí)的最高溫升值為43 ℃，滿足《大體積混凝土施工規(guī)范》中的最高溫升值不宜大于50 ℃的規(guī)定。

圖8 混凝土澆筑過程中最大里表溫差

根據(jù)圖8 顯示的計(jì)算結(jié)果可知，拱座澆筑過程中產(chǎn)生的里表溫差最大為24 ℃，滿足《大體積混凝土施工規(guī)范》中混凝土澆筑塊體的里表溫差（不含混凝土收縮的當(dāng)量溫度）不宜大于25 ℃的規(guī)定。但是由于在寒冷地區(qū)，還是應(yīng)該進(jìn)一步采取有效的溫度控制措施，以降低混凝土的里表溫差。

5 結(jié)論

通過對寒冷地區(qū)大體積混凝土拱座澆筑階段溫度場的計(jì)算和溫度控制措施的分析，可形成如下結(jié)論：

a）采用有限元計(jì)算軟件可以較為精確地模擬混凝土澆筑過程中的溫度場分布，可為施工中大體積混凝土溫度控制措施提供計(jì)算支撐。

b）分層澆筑和設(shè)置循環(huán)冷卻水管可以很好地控制混凝土的溫度和澆筑過程中結(jié)構(gòu)的里表溫差。

c）對于類似青海省這樣的嚴(yán)寒地區(qū)，應(yīng)該采取更為嚴(yán)格的溫度控制措施，并加強(qiáng)混凝土澆筑過程中的溫度監(jiān)控，才能防止大體積混凝土開裂，保證其耐久性。