整体浇筑大体积混凝土承台的温度控制分析

方贻立 谢功元 邹 力

（1.湖北省交通运输厅高速公路管理局 武汉 430034； 2.中铁大桥局科学研究院 武汉 430034）

与分层浇筑相比，采用整体浇筑的混凝土承台，混凝土内部水泥水化热与外界热交换相对缓慢，内外温差更大，温度应力也更大，产生温度裂缝的可能性也越大。

汉江特大桥主墩承台平面尺寸为20 m×20 m，厚5.5 m，使用C35混凝土，设计方量为2 200 m3，采用整体浇筑法施工。对承台浇筑过程进行仿真模拟计算，考虑各方面的影响因素，分析冷却水管、外界约束对承台混凝土内部温度的影响，根据计算结果，制定了可行的温度控制措施，在汉江特大桥承台施工中取得了很好的效果。

1 温度控制的本质

温度裂缝和温度应力是大体积混凝土结构温控的2个重要指标，温度应力超过混凝土相应龄期的抗拉极限强度时，结构将产生温度裂缝［1］。

就大体积混凝土结构产生温度裂缝的力学机理而言，可以从以下2点来进行控制［2］：①提高大体积承台混凝土相应龄期的抗拉强度；②降低混凝土因温差引起的温度应力。第一点属于混凝土材料特性研究范畴，第二点属于混凝土温度控制的研究范畴，通过采用合理的温度控制措施减小混凝土温度应力来降低温度裂缝产生的概率。

本文主要是对第2点（温度控制）进行研究分析，采用合理的温控措施降低混凝土内部水化热的聚集，加快混凝土与外界的热交换速度，采用合理的约束形式，以降低温度应力。

2 计算参数

2.1 绝热温升

汉江大桥主墩承台混凝土配合比已经确定，本文采用2种方法计算绝热温升，混凝土配合比见表1。

表1 主墩承台及塔座混凝土配合比

（1）文献［3］中采用以下公式计算绝热温升

最后求出水泥水化热绝热温升：t（t）＝42.6℃，计算时按43℃考虑。

（2）按照文献［4］中采用以下公式计算绝热温升，即

由上式可知混凝土水化热最高升温

最 后 求 出 水 泥 水 化 热 绝 热 温 升：t（t）＝37.7℃，计算时按38℃考虑。

经比较，式（2）中未考虑粉煤灰参量对绝热温升的影响，式（1）更为合理，采用式（1）的计算结果。

2.2 混凝土中心温度

混凝土中心最高温度按照经验公式（3）计算

式中：th为混凝土中心温度；tj为混凝土浇筑温度，文中混凝土浇筑温度为26.8℃；t（t）为混凝土绝热温升；ζ为不同浇筑混凝土块厚度的温度系数，本文中取0.95。

2.3 内外温差

承台混凝土内外温差按照经验公式（4）计算thmax－tpmin＝67.7－25＝42.2℃ （4）

内外温差大大超过了允许值25℃，因此必须采取温控措施。

3 模拟计算

采用计算程序Midas／Civil对大体积混凝土承台的温度场及应力场进行计算，考虑浇筑方式、入模温度、分层厚度、冷却水管布置、环境温度场、混凝土徐变收缩等因素.主要对以下工况进行计算：

（1）承台采用整体浇筑时，在承台中间增加了一层冷却水管，分别计算布置4层冷却水管和5层冷却水管时的温度场。

（2）汉江大桥基础采用钢围堰施工，承台四周边界约束条直接影响承台受力，分别计算四周有约束和无约束时的应力场。

3.1 冷却水管分析

布置4层和5层冷却水管的温度场分布见图1和图2。

图1 承台温度场（布置4层冷却水管）

图2 承台温度场（布置5层冷却水管）

从计算结果可知：混凝土浇筑后，内部温度在3 d后达到峰值，布置4层水管时最高温度达到74.2℃，布置5层水管时最高温度达到70.0℃。温升期过后进入温降期，初期降温速度较快，随后逐渐减缓至15～20 d后降温平缓。布置4层水管时第2，3层冷却水管之间混凝土（厚1.8 m）为高温区域。布置5层水管时高温区域为承台底部混凝土，钢围堰底部为3.0 m厚的混凝土层，造成承台底部混凝土温度交换较其他区域缓慢。

通过比较可知，布置5层冷却水管的温控效果明显好于布置4层冷却水管。

3.2 边界约束分析

布置5层冷却水管，四周有约束时：①承台中心处与顶部主拉应力超标，最大拉应力达到5.74 MPa，抗裂验算不满足要求；②冷却水管之间的混凝土拉应力超过允许值，最大拉应力值达到5.58 MPa，抗裂验算不满足规范要求。四周解除约束时：①承台中心处与顶部混凝土主拉应力值皆小于抗拉极限强度，最大拉应力值为2.05 MPa，抗裂验算满足要求；②冷却水管之间的混凝土拉应力小于混凝土抗拉极限值，应力值最大为1.97 MPa左右，抗裂验算满足要求。

由比较可知：承台四周不设置约束时应力场分布合理，混凝土拉应力均小于抗拉强度。

3.3 温度控制措施

根据计算结果，结合汉江大桥主墩承台整体浇筑实际情况，提出如下温控措施：

（1）冷却水管采用对称布置，进水口布置在承台四周的中部，每一层冷却水管交叉布置，冷却水管的水流方向根据承台实际情况进行改变。

（2）在承台中间层增设冷却水管，减缓水泥水化热集聚效应。

（3）不以钢围堰壁为模板，应单独立模，模板与钢围堰壁留有一定间隙，允许承台混凝土因为温度变化而产生温度变形。

（4）为防止最高温度超过规范限值75℃，加快冷却水的循环速度，降低混凝土内部温度。同时应防止冷却水管周围混凝土骤冷，局部产生较大的应力，宜提高冷却水管进水口温度（将部分出水口水管接入进水箱）。

（5）当冷却水管进出水口温差接近规范限值10℃时，提高冷却水管进水口水温（将部分出水口水管接入进水箱），以减小进出水口温差。

4 实测温控数据分析

4.1 温控测点布置原则

温度测点根据温度场的分布规律进行布置：①从外至内混凝土温度逐渐升高，至混凝土外表面200 c m处达到高温区；②200 c m至中心区域温度相对恒定；③从混凝土外表至200 c m左右温度梯度逐渐增大。温度测点应能测出大体积混凝土温度场及分布规律，温度测点布置见图3。

图3 承台温度测点布置图（单位：c m）

4.2 实测数据分析

选取具有代表性的第二层1～5号测点和第三层6～10号测点，测点实测温度见表2。第二层测点（2号）最高温度为66.2℃，第三层测点（7号）最高温度为65.3℃，计算最高温度为70.0℃，实测最高温度小于计算值。

以测点最高温度为纵坐标、以测点离侧面的距离为横坐标作出测点随位置变化的温度梯度图，见图4。2号和7号为温度最高点，离侧面200 c m处，承台中心测点由于离冷却水管较近，并不是最高温度测点，离表面5，30，80 c m 3个测点温度梯度明显增大，这一点与大体积混凝土温度分布规律吻合，温度测点的时程曲线见图5。混凝土内部温度变化经历升温期、降温期、稳定期3个阶段，最高温度出现在混凝土浇筑完成后72 h左右。性，能节省工期和人力物力，但水泥水化热引起混凝土内部温度和温度应力变化较分层浇筑剧烈，产生温度裂缝的可能性也更高。本文通过分析大体积混凝土温度裂缝产生的力学机理，结合郧十高速公路汉江特大桥的实际情况，采用Midas／Civil结构计算程序的水化热分析模块模拟计算承台整体浇筑的过程，提出控制混凝土内部最高温度、延缓混凝土降温速率、改善约束等温控措施，温度控制效果较好，证明文中提出的温控措施可行，也为桥梁结构大体积混凝土承台整体施工积累了经验和技术资料。

表2 测点温升期实测温度℃

图4 1～10号测点随位置变化温度梯度

图5 测点温度时程曲线

承台整体浇筑后，根据拟定的温度控制措施进行温度控制，结合承台混凝土实测温度及时调整冷却水管水流速度和方向，并做好混凝土养护工作，温控工作结束后承台表面未产生温度裂缝。

5 结语

大体积混凝土承台整体浇筑能提高承台整体

［1］ 代迟书.大体积混凝土温度控制参数敏感性仿真分析［J］.交通科技，2013（4）：9-12.

［2］ 谢先坤.大体积混凝土结构三维温度场、应力场有限元仿真计算及裂缝成因机理分析［D］.南京：河海大学，2001.

［3］ 朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制［M］.北京：中国水利水电出版社，1998.

［4］ 王亚斌.大体积混凝土温度预测与裂缝控制［J］.桥梁建设，1997（4）：44-47.