湘潭某斜拉桥主墩承台混凝土水化热数值研究

文 圳

(湘潭市交通建设质量安全监督站， 湖南 湘潭 411201)

0 引言

混凝土早期的水化反应释放大量的热，在结构内部与表面形成温度差和温度应力，并导致结构早期开裂，影响其耐久性能和使用寿命[1-2]。通常，混凝土结构的尺寸越大，水化热效应就愈加明显，早期开裂风险就愈高[3-4]。因此，研究大体积混凝土结构浇筑和养护过程中混凝土结构温度变化规律和损伤发展规律格外重要。

从20世纪初开始，国内外学者就开始关注大体积混凝土的水化热问题，并提出了一系列温度控制措施，如:分层浇筑混凝土、采用低水化热的配合比、控制混凝土的入模温度以及设置水冷管系统等[5-6]。随着数值仿真技术的不断发展，借助数值软件对混凝土浇筑过程进行仿真模拟、进而确保温控方案的有效性已成为一种常用手段[7-8]，并在大体积混凝土施工中发挥了越来越重要的作用。

本文以湘潭某斜拉桥主墩承台混凝土施工为背景，采用Midas/FEA对承台大体积混凝土的浇筑过程进行了数值仿真模拟，并对水化热效应的影响因素进行了敏感性分析，最终确定了适合主墩承台混凝土施工的温控方案。

1 工程概况

某斜拉桥为双塔双索面混合梁斜拉桥，位于湖南省湘潭市，是跨越湘江、连接雨湖区和岳塘区的重要交通节点。桥梁采用双向6车道设计，全长2123m，主跨658m。主墩承台为矩形，几何尺寸为36 m×18.5 m×8 m，如图1所示。承台浇筑在厚度为3m的封底混凝土上，采用C40混凝土，方量1942m3，为大体积混凝土施工。因此，合理控制承台混凝土早期温度、降低土水化热效应、防止早期开裂是该承台施工的核心问题。

图1 主墩承台几何尺寸(单位： mm)

2 主墩承台数值模型构建

2.1 数值模型的基本信息

考虑封底混凝土影响，基于Midas/FEA建立本项目斜拉桥主墩承台的数值分析模型。由于承台本身的对称性，在实际建模时取1/2结构进行分析，FEA模型如图2所示。

图2 主墩承台1/2结构FEA模型

承台数值模型有24784个节点，23586个单元，平均单元尺寸为0.3m×0.3 m。模型中考虑4种边界条件：约束边界、对称边界、固定温度条件、对流边界。其中，约束边界描述承台(或封底混凝土)底面、侧面与外界之间的位移约束情况；对称边界描述1/2模型切口处的位移约束情况；固定温度条件描述封底混凝土底面及侧面的恒温边界。

2.2 热工参数确定

依据热力学方程[9]，混凝土导热过程涉及的热工参数主要包括：热扩散系数a，比热容c，导热系数λ和材料密度ρ。上述热工参数，可依据混凝土的实际配合比进行估算，计算公式如下：

α=λ/cρ

(1)

(2)

式中:mi为单位重量混凝土中各组分材料的质量；ci和λi为各组分材料的比热容、导热系数。

承台C40及封底混凝土C30的配合比见表1，

表1 相关混凝土配合比kg/m3混凝土标号水泥(525)粉煤灰矿粉河砂碎石水外加剂C35285139—7571 0861693.68C402141181007921 1161564.73

依据配合比及式(1)、式(2)计算得到不同标号混凝土热工参数，如表2所示。

表2 相关混凝土物理力学参数及热工参数混凝土标号弹性模量/GPa抗压强度/MPa线膨胀系数/(10-5K-1)泊松比C3532.432.11.050.180C4030.543.21.050.180混凝土标号密度/(g·cm-3)导热系数 /(W·m-1·k-1)比热容/(J·kg-1·K-1)C352.4113.37×10-2935C402.3553.37×10-2935

2.3 日气温函数

单日温度变化，尤其是昼夜温差，会在混凝土结构内部形成温度梯度、温度应力，导致结构开裂。因此，在研究混凝土水化热问题时，应考虑浇筑及养护周期内的单日温度变化[10]。考虑到单日气温变化的连续性和周期性，研究中采用余弦函数描述其变化规律：

(3)

式中：Ta为气温值；Tam为单日平均气温；Aa为单日气温变化幅值；t为时间,h。

项目所在地位于长江以南，属亚热带季风温润气候，且承台浇筑在11～12月份进行，日平均气温4.7 ℃，气温变化幅值约为4.0 ℃。依据式(2)绘制环境日气温曲线，见图3。

图3 项目所在地环境日气温曲线

2.4 对流边界条件设定

承台混凝土在养护过程中会与外界发生热交换，即对流边界。承台顶面直接与外界环境接触，热交换效率可采用如下公式确定[11]：

β=23.9+14.5v

(4)

式中：β为对流系数；v是风速，依据项目所在地实测结果取3.0 m/s。

承台侧面采用木模浇筑，加设防雨布和土工布各1层，考虑风速1.4 m/s，等效换热系数取6.39 W/(m2·k)。考虑封底混凝土底面及侧面为恒温边界，即对应位置温度不发生变化，温度取5 ℃。

2.5 热源函数定义

热源函数主要用于描述混凝土水化过程中发热状态，跟水泥种类和单位体积水泥用量相关。承台混凝土的最终绝热温升值是定义热源函数的关键参数，该数值可依据相关技术规程[12]通过承台混凝土7 d的温升实测结果推算。

Tb=T7/(1-e-mt)

(5)

式中:T7为承台混凝土的7 d温升值，实测结果为43.29 ℃；m是一个由混凝土入模温度决定的系数(如，对应入模温度25 ℃时m取0.4)；t为天数，取7。

依据式(5)确定承台混凝土的绝热温升值为44.76 ℃，对应的混凝土热源函数曲线如图4所示。

图4 某斜拉桥主墩承台混凝土热源函数曲线

2.6 管冷系统模拟

管冷系统是大体积混凝土施工过程中，预防早期开裂的重要手段[13]。通过将承台混凝土数值模型中冷却管穿过的单元设置为对流边界，可以实现管冷系统的数值模拟。水的比热容、密度、流量、冷却管外径、对流参数是设置对流边界重要热工参数，本项目研究中采用的数值见表3。

表3 管冷系统热工参数水比热容/(J·kg-1·K-1)水密度/(g·cm-3)水流量/(m3·h-1)管径/mm对流参数/(W·m2·k-1)4.29711.64013.61

3 承台水化热影响参数敏感性

3.1 浇注方案对比及水化热过程分析

考虑两种承台混凝土浇注方案：一次性浇筑和分2层浇筑(每次高度4 m)，分别建立FEA模型分析承台混凝土在浇筑完成后14 d的温度变化情况。数值模型构建中考虑入模温度25 ℃，并采用相同的管冷方案。不同浇筑方案最不利温度场分布情况如图5所示，承台核心处(最不利位置)温度随时间的发展曲线见图6所示。分析结果显示，承台混凝土水化热阶段的最高温度在浇筑完成90 h后出现，且位于承台核心处。一次性浇筑时最高温度为61.33 ℃，分层浇筑时最高温度分别为47.50℃(第1层核心处)、47.03 ℃(第2层核心处)。这表明，分层浇筑不会改变温度峰值到来的时间，但可以显著降低最高温度的数值。

(a) 一次浇筑

图6 承台核心混凝土温度发展曲线

3.2 冷却管进水水温影响

设置冷却管，通过冷却管中流动的低温水与承台内部形成热交换，带走混凝土水化热、降低承台温度，是目前承台大体积混凝土施工中常用的方法。在上述过程中，冷却管进水口处的水温对降温效果有较大影响。考虑分层浇筑方案，建立FEA数值分析模型，在入模温度相同(25 ℃)、冷却管布置方案相同的情况下分析进水温度对降温效果的影响规律。表4中列出了3种不同水温下(无冷却管设置、进水温度15 ℃、进水温度7 ℃)承台降温参数的数值分析结果，图7展示了浇筑90 h后承台混凝土温度应力场。结果显示：无冷却管时混凝土核心区温度达53.94 ℃，最大应力为6.35 MPa，混凝土存在开裂风险；设置冷却管后，承台混凝土的核心温度有了明显降低，分别为45.98 ℃(进水温度10 ℃)、46.93 ℃(进水温度15 ℃)。另，进口水温过高，比如15 ℃，会导致承台温度应力过大(抗拉强度2.60 MPa>2.39 MPa设计值)，混凝土开裂，因此，施工过程中应注意控制进水温度在10 ℃以内为宜。

表4 不同管冷水温的承台水化热模拟结果流入温度/℃升温过程降温过程峰温/℃时刻/h持时/h速率/(℃·d-1)持时/h最大温差/℃最大应力/MPa是否开裂无53.9494981.7414241.286.35是1045.98109572.2518333.32.03否1546.93116441.9219634.32.60是

(a) 无管冷

3.3 混凝土入模温度敏感性分析

混凝土入模温度主要通过热源函数来影响承台的水化热进程。考虑到承台施工主要在冬季，选择3种混凝土入模温度(10 ℃、14 ℃、18 ℃)建立数值模型，研究其对承台水化热的影响规律。数值模型中，考虑分层施工并设置冷却管，分析结果见表5。数值结果表明，入模温度显著影响承台混凝土的水化热过程，且随其温度升高，承台核心区峰值温度愈高。入模温度在10 ℃以内时，混凝土温度应力在设计容许值范围内；超过14 ℃时，温度应力会超过容许值，导致混凝土开裂。

表5 3种入模温度的承台混凝土数值分析结果流入温度/℃升温过程降温过程峰温/℃时刻/h持时/h速率/(℃·d-1)持时/h最大温差/℃最大应力/MPa是否开裂1042.9697311.9119530.32.04否1447.18102362.1919534.52.41是1850.12106362.2319537.42.68是

4 承台温控方案及实测验证

考虑项目背景及承台水化热参数敏感性的数值分析结果，确定主墩承台的温控方案如下：承台混凝土分两次浇筑，每次浇筑高度为4 m；承台内布设冷却管系统，冷却管共4层平行布设，冷却管进水口温度不高于10 ℃；通过控制混凝土出机温度的方式将混凝土入模温度控制在5 ℃～10 ℃之间；作业面模板覆盖防雨布和土工布各1层，以控制模板温度。预先在承台内埋设温度传感器和应变传感器，及时反馈承台混凝土水化热过程数据，进行实时监控。测点布置位置见图8(a)，传感器的实物照片见图8(b)、图8(c)。图9、图10显示了承台混凝土浇筑672 h后测点温度与应力的变化情况，并与数值预测结果、设计容许值进行了比对分析。结果表明：混凝土水化热过程中，承台最高温度不超过50 ℃，应力在设计容许值范围内，不会产生开裂问题；数值模型能够准确反映承台实际状况，预测结果与实测结果符合度良好。

图8 主墩承台监测点布置

图9 承台混凝土实测水化热温度与数值模拟结果对比

图10 承台混凝土实测水化热应力与数值模拟结果对比

5 结论

本文基于Midas/FEA建立了大体积承台混凝土水化热模型，分析了不同水化热参数对承台温度、应力的影响规律，确定了符合项目承台施工的温控方案，并通过现场测试对比验证了方案的可行性。得到的结论如下：

1) 承台混凝土水化热阶段的最高温度在浇筑完成90 h后出现，且位于承台核心处。分层浇筑不会改变温度峰值到来的时间，但可以显著降低最高温度的数值。

2) 采用分层浇筑、设置管冷系统均可有效改善承台的应力集中程度，降低峰值应力和持续时间。但前者分层浇筑改变了浇筑厚度，使得应力峰值的大小和应力均发生变化；后者不改变应力峰值位置，只改变其大小和作用时间。

3) 通过数值方法对承台水化热参数敏感性进行分析，确定承台的温控方案具有可行性、高效性，可以为大体积承台的混凝土施工提供参考和依据。