0 引言

　　混凝土在浇筑完成后会产生大量水化热，并在结构内部形成较大温度梯度及温度应力，若不能有效控制，会出现混凝土过早开裂、使用寿命缩短等问题^[1,2]。特别是在桥梁工程建设过程中，采用高强度混凝土的大体积水中墩承台，此类问题^[3,4]尤为突出。目前较为常用的控制大体积混凝土温度应力措施包括分层施工、布置管冷系统、控制入模温度等^[5,6]。如何保证这些措施的合理性和有效性，规避水化热反应带来的质量问题，是桥梁工程的重点及难点。

　　因此，本文以某拱桥主墩承台混凝土施工项目为背景，基于Midas/FEA有限元软件，对水化热全过程进行模拟分析，探索大体积混凝土水化热效应影响因素，以期为类似工程的顺利实施提供参考。

　　1 工程概况

　　某拱桥为飞燕式中承钢箱提篮拱桥，是跨越湘江、连接湘潭市岳塘区和湘潭县的重要交通节点。桥梁共有5跨，总长1 888.1m，其中主跨200m。主墩承台尺寸为25.5m×12.5m×6.0m，圆端半径为6.25m，浇筑在封底混凝土上，厚度为3.5m。承台位于水下，采用高水化热的早强混凝土，总方量3 024m³。由于工期控制较严格，降低混凝土水化热对结构影响、保证工程质量是项目施工的重点与难点。

　　2 承台水化热数值模拟

　　2.1 承台有限元模型

　　采用有限元分析软件Midas/FEA构建本文研究对象的有限元模型。由于承台具有对称性，取承台的1/2进行分析，如图1所示。采用8结点六面体单元，共23 662个结点、21 364个单元，网格平均尺寸为0.2m。模型考虑封底混凝土影响，并考虑3种热交换边界，承台顶面与环境的对流边界，承台侧面与环境的对流边界，封底混凝土底面及侧面的恒温边界。

　　

　　图1 承台有限元模型 

　　 

　　2.2 模型参数定义

　　1)混凝土热工性能参数主要包括导温系数α、导热系数λ、比热c和密度ρ。未进行热工试验时，可通过混凝土各组分的质量百分比，进行导热系数λ和比热c的估算。计算公式如下:

　　

　　 

　　式中:m_i为不同组分的质量;c_i和λ_i分别为不同组分的导热系数和比热系数，参照JTS 202—1—2010《水运工程大体积混凝土温度裂缝控制技术规程》确定^[7];n为混凝土组分的种类;k_c为修正系数，取1.05。

　　承台混凝土强度等级为C40，封底混凝土强度等级为C35，配合比如表1所示。

　　  

　　表1 混凝土配合比 

　　 

　　 

　　(kg·m^-3)

　　

　　通过式(1)～式(3)计算得到承台及封底混凝土热工性能参数，如表2所示。

　　2)日气温变化函数日气温变化(即昼夜温差)是形成混凝土温度梯度、导致其早期开裂的重要原因^[8]，同时也是进行数值模拟的重要依据。鉴于太阳辐射的周期变化，研究中采用余弦函数描述日气温变化，如式(4)所示:

　　

　　 

　　式中:T_a为日气温值(℃);T_am为日平均气温(℃);A_a为日气温变化幅值(℃);τ为时间(h)。

　　拱桥位于湖南湘江流域，属亚热带季风温润气候。承台施工时间为11—12月，外界平均气温取4.8℃，日气温变化幅值为4℃。

　　计算得到日温度变化曲线如图2所示。

　　

　　图2 拱桥所在地日气温变化曲线  

　　 

　　3)对流边界除管冷系统外，承台混凝土与外界存在3种热交换形式(即对流边界):承台顶面与环境的对流边界，承台侧面与环境的对流边界，封底混凝土底面及侧面的恒温边界。

　　承台顶面暴露在空气中，其对流系数与风速有关，采用式(5)进行估算^[9]:

　　

　　 

　　式中:V_a为环境风速，参考当地气象资料取2m/s。

　　承台侧面采用2cm厚木模、1cm厚草袋保温，风速1m/s，传热系数直接取为24kJ/(m²·h·℃)。

　　  

　　表2 混凝土物理热学特性参数 

　　 

　　 

　　

　　封底混凝土底面及侧面按恒温边界处理，即该部位的温度不随时间发生变化，其温度实测值为4℃。

　　4)热原函数依据相关技术规程^[7]，由混凝土7d的绝热温升实测值(T₇)推算混凝土的最终绝热温升值(T_b)如下:

　　

　　 

　　式中:T₇依据相关技术规程绝热温升方法确定，取值为42.58℃;m为与浇筑温度相关的系数，取0.4(对应28℃);t为时间，取7d^[10]。

　　混凝土最终绝热温升为43.85℃，据此给出混凝土的热原函数曲线，如图3所示^[11]。

　　

　　图3 混凝土热原函数曲线 

　　 

　　2.3 管冷设置

　　管冷系统布置如图4所示。数值模型中管冷系统的模拟主要通过将指定单元(冷却管穿过的单元)设置为对流边界来实现。对流边界的相关热工参数如表3所示。

　　  

　　表3 管冷系统热工参数 

　　 

　　 

　　

　　3 承台混凝土水化热影响因素分析

　　3.1 承台混凝土水化热温度变化过程

　　承台浇筑分2次进行，每次浇筑高度3m。研究承台混凝土14d的水化热情况，对承台混凝土的温度变化进行分析，研究结果表明:浇筑96h后混凝土水化热温度达到最高，最高温度为47.03℃，位于承台上部核心部分。

　　

　　图4 管冷系统布置  

　　 

　　3.2 管冷水温影响

　　管冷系统是实际施工中广泛采取的强制降温措施^[12,13]。管冷水温(即流入温度)对承台降温效果有较大影响。研究3种管冷措施下(无管冷、管冷水温12℃、管冷水温8℃)承台混凝土水化热温度分布情况，承台水化热过程的关键参数如表4所示。结果表明:无管冷措施承台核心温度可达51.83℃;采取管冷措施后，承台水温有明显下降，分别为47.04℃(管冷水温12℃)及46.07℃(管冷水温8℃)。施工过程中，需设置管冷系统进行强制降温且管冷温度为8℃时效果最佳。

　　3.3 混凝土入模温度

　　考虑3种入模温度(8,12,16℃)对承台混凝土水化热温度的影响。研究不同入模温度时承台混凝土的温度分布，表5列出承台水化热分析的部分关键信息。结果表明:混凝土入模温度对承台混凝土水化热过程有较大影响，入模温度为8℃最佳。

　　4 承台温控方案及实测、数值模拟对比

　　基于承台混凝土水化热影响因素的分析结果，确定承台的水化热温控措施:采用管冷系统，混凝土入模温度为8℃;采用2次分层浇筑，每次浇筑高度3m;承台顶面裸露，并通过洒水降温;侧面采用2cm厚木模、1cm厚草袋保温。

　　  

　　表4 不同管冷水温的承台水化热数值模拟结果 

　　 

　　 

　　

　　  

　　表5 不同混凝土入模温度下承台水化热数值模拟结果 

　　 

　　 

　　

　　承台混凝土内埋入一定数量的传感器，实时反馈温度及应力数据。当温控措施效果不佳时，可及时采取补救措施。温度及应变传感器布设遵循重点突出、兼顾全局的原则，布设如图5所示。

　　

　　图5 承台混凝土水化热监测点布设 

　　 

　　承台混凝土的水化热温度和应力实测值分别如图6,7所示。将实测值与数值模拟结果进行对比，结果表明:数值模型对承台混凝土水化热温度及应力的预测结果与实测结果较一致;承台的水化热温度较低(<30℃)，且温度应力在允许范围内，未出现混凝土开裂现象。

　　5 结语

　　本文以湖南湘潭某拱桥主墩承台混凝土施工为背景，介绍了基于有限元软件Midas/FEA分析大体积混凝土水化热效应影响因素、确定温控方案的理论和方法，并将数值模拟结果与实测结果进行对比，验证了其有效性。研究结果如下。

　　1)给出的数值模型和分析方法可较准确地预测大体积混凝土水化热过程，并能给出对温控方案至关重要的数据及参数。

　　2)控制管冷水温、采用分层浇筑等是控制大体积混凝土水化热温度的有效措施，入模温度主要影响水化热峰值温度及承台核心的主应力。

　　3)依据数值模拟结果确定的温控方案能有效控制承台混凝土的水化热温度及应力，表明通过数值模拟确定温控方案可行。研究结果可为类似项目施工提供参考和借鉴。

　　

　　图6 承台混凝土实测水化热温度与数值模拟结果对比 

　　 

　　

　　图7 承台混凝土实测水化热应力与数值模拟结果对比