混凝土作为现代社会中最重要的建筑材料之一，已广泛应用于桥梁工程中。混凝土在浇筑过程中由于水化作用产生大量热量，即水化热 ^[1]。为满足桥梁整体结构承载力、稳定性和耐久性要求，构件往往需具有较大的断面尺寸，使得表面系数较小，从而使混凝土导热性较差 ^[2,3]，热量集中在混凝土内部不易散失，使构件形成较大的温度梯度 ^[4]，产生一定拉应力，如果施工温度控制措施采取不当可能使混凝土出现开裂。一旦产生较大的裂缝，不仅会降低混凝土的耐久性，甚至影响整个结构的正常使用。

　　 冬期施工过程中，大体积混凝土除控制浇筑过程中产生的内外温差以防止开裂外，还应防止混凝土早期受冻，通常需要较高的浇筑温度 ^[5,6,7,8]。另外，由于混凝土外部温度较低，若不控制内部温度的上升幅度，会使内外温差过大而产生裂缝。所以冬期浇筑大体积混凝土时需在防裂和防冻间寻找平衡点。

　　 对于大体积混凝土结构裂缝控制而言，应以预防为主。最常见有效的方法是采用分层浇筑，选择合理的分层方案和浇筑顺序，并注意混凝土原材料的选择，以降低水化作用释放的热量。冬期浇筑大体积混凝土时，一方面需采取适当的保温措施，另一方面应在混凝土内部适当位置布设冷却水管进行降温。

　　 在查阅国内外相关研究成果的基础上，以实际工程为例，较为系统地研究大体积混凝土冬期施工温度控制措施，进行相关参数优化分析，并结合现场实测数据，提出温度控制合理化建议。

　　 河北省保定市乐凯大街南沿工程主桥采用3跨连续子母塔单索面预应力混凝土斜拉桥结构，桥跨布置为 (145+240+110) m。子塔承台为八边形结构，纵向长30.0m，横向宽34.2m，高6.8m，选用C50混凝土。1m³混凝土的施工配合比为水泥∶砂∶石∶水=338∶683∶1 062∶160，减水剂掺量为10.3kg/m³，粉煤灰掺量为69kg/m³，矿粉掺量为83kg/m³。由于工期原因，承台需在冬期施工，不仅环境温度低且昼夜温差大。

　　 根据相关工程经验，本承台混凝土分3层浇筑，第1, 2层厚度均为2.8m，第3层厚1.2m。分别在第1, 2层混凝土中间布置2排冷却水管，冷却水管采用ф48×3.5钢管，水平间距1m。冷却水管进出水口集中布置、统一管理。为防止出现局部温差过大的情况，严格控制冷却水与混凝土的温差，否则易在水管周围产生较大的局部拉应力，从而引起混凝土开裂。

　　 在混凝土内部适当位置布置温度传感器，实时监测温度变化情况，以便更好地调节冷却水管流量、流速和开、停水时间。在养护过程中对混凝土内外温差、降温速度及环境温度等因素进行综合分析，及时反映混凝土内部温度变化情况，为调整温度控制措施提供依据。

　　 为更好地对承台水化热温度进行监测，在第1, 2层混凝土内布置11个温度监测点，测点竖向位置为单次浇筑厚度的中部位置，即2排循环冷却水管中间。由于条件限制，第1层布置2组测点，第2层布置3组测点，如图1～3所示。

　　 第1层监测时间共9d，从混凝土浇筑完成后的6h开始监测，监测方案为:第1, 2天 (即6～48h) 每隔2h记录1次;第3～7天每隔4h记录1次;此后每隔6h记录1次。第2层监测时间共7d，监测时间间隔同第1层。实际监测得到的温度曲线如图4, 5所示。

　　 由图4, 5可知，温度曲线上升段斜率较大，说明混凝土水化作用产生的热量主要集中在最初几天，混凝土浇筑完成后温度迅速升高，在40h前后升至最高值，接近70℃;达到峰值后曲线开始逐渐下降，且斜率变缓，即混凝土温度缓慢下降。

　　 分别对比每层不同测点温度曲线可知，混凝土中心附近温度最高，而表面温度相对较低。主要因为中心附近混凝土由于散热慢，降温也较慢，绝对温升相对较高;而靠近表面的混凝土由于散热快，降温较快，绝对温升相对较低。图4中混凝土表面测点温度曲线下降段斜率均大于内部测点，表明内部测点温度下降速率大于表面测点。如表面测点1-W-1经7d后温度已下降至30℃，而其他内部测点温度仍>40℃。图5中曲线下降段斜率相差较小的主要原因为第2层混凝土底部与温度相对较高的第1层混凝土相连，热量不能轻易散去。

　　 根据工程实际情况，利用MIDAS/FEA软件建立有限元实体模型进行数值模拟分析，定义基础土和C50混凝土2种材料，整个模型共划分82 237个节点、17 248个单元。定义3个水化热函数，分别为环境温度函数、对流系数函数和热源函数。由每层混凝土浇筑完成24h后的内部温度场分布云图可知，混凝土整体呈内部高、四周低的温度分布，第1层混凝土由于底部与土层相连，温度扩散较好。由于冷却水管布置不均，导致部分区域温度较高，说明冷却水管的合理布置对混凝土散热具有较大影响，实际工程中冷却水管应尽量均匀布置。

　　 选取模拟分析中不同位置计算点与实际温度测点进行对比分析，以验证模型的可靠性。由于测点较多，选取5个典型测点，分别为第1层外部测点1-W-1和内部测点1-N-1及第2层外部测点2-W-1、内部测点2-N-1和中心测点2-N-7，对比结果如图6, 7所示。

　　 由图6可知，温度曲线上升段吻合较好，温度出现峰值的时间大致相同，但2条曲线下降段斜率存在差异。分析原因主要与承台外部环境温度有关。由于冬期施工，混凝土浇筑时外围加盖了保温棚，棚内温度随着混凝土放热逐渐上升，导致混凝土散热变慢。而数值模拟时设定的环境温度和对流系数为常数，不受混凝土放热阶段的影响，所以混凝土温度下降相对较快。图6b中2条曲线下降段相差较大的原因可能为土层参数设置与实际情况存在差异。

　　 由图7可知，测点2-W-1对应的2条温度曲线相差较大，随着测点逐渐深入到承台内部，曲线吻合度逐渐提高，说明实际工程中混凝土在放热阶段会使周围温度升高，导致混凝土温度较高且不易下降，而处于混凝土中心位置的测点由于受外部温度的影响较小，所以曲线吻合较好。

　　 除上文所述差异外，模拟计算过程中存在一些难以避免的误差，如网格划分精度不够、水管布置与实际工程略有差异、混凝土参数设置存在偏差等，均可能引起误差。

　　 通过温度模拟值和实际监测值的对比，可发现混凝土表面温度受外界环境温度的影响显著，越接近内部受外界温度的影响越小。总体上看，模拟曲线与实测曲线吻合度较高，模型可用。

　　 大体积混凝土水化热降温效果主要与混凝土内部冷却水管参数及周围环境温度有关 ^[5]。冷却水管参数包括管径、布置方式、间距、冷却水温度和水流速率等。其中冷却水管的布置间距相对固定，不易调节，而冷却水温度易控制。为此仅对冷却水温度与环境温度进行优化分析。

　　 数值模拟时取28℃作为冷却水温度。为研究冷却水温度对混凝土内部降温效果的影响，分别建立冷却水温度为18, 38℃时的模型。另外选取测点1-N-7, 1-W-2, 2-N-7, 2-W-2进行温度梯度计算，研究整体温度梯度变化规律;选取冷却水管附近水平相对距离为0.5m的点A, B计算冷却水管周围局部温度梯度，计算结果如图8, 9所示。

　　 由图8, 9可知，混凝土内外部测点温度曲线均呈相同的变化趋势，即冷却水温度越低混凝土整体温度越低;两层混凝土整体温度梯度曲线均随着浇筑时间的增加而逐渐上升，即混凝土内外温差因水化作用越来越大，浇筑50h左右达到峰值，然后温差因混凝土散热而缓慢减小。当冷却水温度较低时，周围混凝土形成的局部温度梯度较大，极易产生拉应力，从而产生裂缝。

　　 冷却水温度为18℃时的降温效果较好，且混凝土内外温差相对较小。但需注意过低的冷却水温度会引起水管周围混凝土因温差过大而产生裂缝，破坏整体性。当冷却水温度较高时 (38℃) ，虽然水管周围混凝土温差较小，但混凝土整体温度较高且内外部温差较大，没有起到良好的降温作用。

　　 综上，工程中一般宜选取最高水化热温度的1/3作为冷却水温度，即本工程中选用冷却水温度为25～30℃。

　　 环境温度同样影响混凝土水化热的耗散，适当的周围环境温度对于混凝土在凝结过程中的散热和强度发展起关键作用。环境温度过低时，混凝土内外会产生较大的温度梯度，易在凝结过程中产生裂缝，影响强度和耐久性。尤其在冬期，应适当增加混凝土浇筑过程中的保温措施。

　　 模拟周围环境温度为5℃时的混凝土凝结过程，即模拟冬期施工未采取保温措施时混凝土内部温度变化情况。与环境温度为25℃的结果进行对比分析，如图10, 11所示。

　　 由图10, 11可知，对于第1层混凝土而言，降低周围环境温度的降温效果较明显，最多降低10℃左右。主要因为模型中设定基础土层温度为5℃，第1层混凝土底面散热较好，不具代表性。对于第2层混凝土而言，降低周围环境温度的降温效果不明显，当周围环境温度降低20℃时，外部测点温度仅降低5℃左右，而内部测点温度基本无变化。对比两层温度梯度可知，外界温度较低时，混凝土整体温度梯度较高，对于混凝土强度的发展非常不利，易引起开裂，所以冬期施工时须保证混凝土具有良好的保温措施。

　　 以实际工程为例，较系统地研究大体积混凝土冬期施工温度控制措施，提出温度控制方案，并对相关参数进行优化分析，对现场水化热温度进行实时跟踪监测。根据理论分析及实测数据，得出以下结论。

　　 1) 大体积混凝土冬期施工时，采取内部布设冷却水管降温和外部搭设保温棚的“内降外保”方案是合理可行的温度控制措施，既能有效控制混凝土内部升温过高，还可降低混凝土内外温差，防止混凝土表面受冻和开裂。

　　 2) 在进行大体积混凝土内部循环水降温时，使用布置合理且通水温度适当的冷却水管可保证混凝土内部温度分布均匀。应保证冷却管冷却水温度不宜过低，避免局部温度梯度过大引起混凝土开裂，同时注意降低混凝土内外温差。