《武汉工程大学学报》  2010年01期 65-69   出版日期：2010-01-31   ISSN:1674-2869   CN:42-1779/TQ
桥梁大体积混凝土浇筑过程的温度场及温度应力


引言桥梁大体积混凝土工程质量控制的一个重要方面是温度控制.混凝土是一种不良的导热材料，对于大体积混凝土而言，浇筑的初期，大量的水化热聚集在混凝土内部不易散发，内外温差使混凝土内部产生压应力，外部产生拉应力，当拉应力超过允许应力时导致混凝土开裂.在降温过程中，温度应力主要是由于混凝土的冷却及外界气温变化所引起的，此时的非均匀降温使混凝土受到自身约束和外部约束.自身约束是混凝土内部的相互约束，产生自生应力；外部约束是来自旧混凝土或基础的约束，如桥梁承台混凝土在温差作用下受到下部桩和封底混凝土约束，产生约束应力.自生应力和约束应力都是由变温产生的温度应力［1］.大体积混凝土温度应力超过允许应力而导致结构产生温度裂缝.温度裂缝的产生不但影响到结构的承载力和设计效果，而且对结构的安全性和耐久性也有重要影响［2］.为此，本文结合甬江特大桥对桥梁大体积混凝土的温度控制、防止裂缝的产生等问题进行了研究分析，对于由于不均匀非稳定温度场产生的非均匀温度应力对现场混凝土结构产生裂缝的类似工程，具有工程应用价值的实际意义.1温度场理论模型1.1热传导方程［2］根据热传导理论，三维非稳态导热微分方程为：Tτ=a2Tx2+2Ty2+2Tz2+θτ(1)
式（1）中：a为导温系数，按a=λ/cρ计算.T为温度，θ为绝热温升，λ为导热系数，τ为时间，c,ρ分别为混凝土比热、容重.热传导方程建立了问题的温度与时间、空间的关系，但满足热传导方程的解有无限多，为了确定需要的温度场，还必须知道初始条件和边界条件.由此，可计算出混凝土内部瞬态温度场T(x,y,z,t).1. 2初始条件和边界条件初始条件为在初始瞬时物体内部的温度分布规律，边界条件为混凝土表面与周围介质(如空气或水)之间温度相互作用的规律，初始条件和边界条件合称边值条件［2］.在混凝土浇筑温度计算过程中，初始温度即为浇筑时的混凝土温度.边界条件在混凝土建筑物中广泛适用的是第三类边界条件，即当混凝土与空气接触时，表面热流量与混凝土表面温度T与气温Ta之差成正比，表示成：-λTz=β(Ta-T)(2)
式（2）中：β为表面放热系数.2工程概况甬江特大桥是浙江省宁波市在建的国道主干线宁波绕城公路东段一座特大型桥梁，桥梁全长1.478 km.全桥设双塔，塔高141.5 m，主桥为钢-砼叠合梁双菱形联塔四索面半漂浮体系斜拉桥，主跨468 m，索塔基础为2.2 m大直径钻孔灌注桩，钻孔深度约130 m，入岩深度约15 m，实体钢筋混凝土承台，承台为矩形，索塔承台尺寸为62 m×33.0 m×5.5 m（厚），C35海工耐久性混凝土，单个承台方量为11 253 m3属大体积混凝土.第1期徐行军，等：桥梁大体积混凝土温度场及温度应力研究
武汉工程大学学报第32卷
3温度控制的内容温度控制的内容主要包括：a. 控制混凝土内部最高温度，使其在施工规范允许的范围之内，以防混凝土内部因温度过高，温差过大而产生贯穿性裂缝；b. 控制混凝土的内外温差及混凝土表面与大气的温差，使其也在施工规范允许的范围之内，以防混凝土产生表面裂缝［3］.4混凝土的温度特性及温控措施水泥品种、配合比、温控措施、施工时的外界温度等都直接影响块体混凝土的温度特性.混凝土块体的温度特征值主要指混凝土入模温度、最高温度和温变速率等主要温度指标，是检验温控指标和温控效果的主要参数.4.1混凝土原材料质量控制大体积混凝土中水泥用量是决定水化热大小的主要因素，混凝土水化热主要来自水泥胶凝材料，因此应尽量选择C3A、C3S含量少、水化热低的水泥.同时在符合规范要求及海工耐久混凝土的水胶比要求的前提下，为尽量降低水泥用量，必须发挥活性掺合料与高效减水效的叠加效应，在保证混凝土的强度的同时，降低发热量并且改善混凝土的和易性与可泵性，初凝时间12~14 h.原材料：水泥采用宁波海螺牌 P.O 42.5 普通硅酸盐水泥，其指标满足国际标准要求；粗集料采用富家岭采石场 （5~16 mm）∶（16~25 mm）=40∶60,经掺配成5~25 mm连续级配碎石.这样可以获得较小的空隙率及表面积，从而减少水泥的用量，降低水化热，减少干缩及混凝土裂缝的开展；细集料采用福建闽江中砂；粉煤灰采用北仑电厂Ⅱ级粉煤灰；矿渣粉采用北仑港新建材S95级矿渣粉；外加剂采用山西凯迪建材的KDSP聚羧酸系高效缓凝减水剂，减水率大于25%.4.2配合比优化设计本工程采用42.5 普通硅酸盐水泥配置C35泵送混凝土，为提高混凝土的抗裂性，对C35承台已确定的混凝土配合比参数，进行粉煤灰、矿渣粉不同掺量的混凝土配合比的优化及7 d的水化热试验，确定基准配合比及其水化热值见表1.测得该混凝土的物理、热性能参数如表2.表1C35承台混凝土配合比
Table 1C35 cap concrete mixture
组成材料/(kg·m-3)水化热值/（J·g-1）抗压强度/MPa水泥粉煤灰矿渣粉砂碎石水KDSP（%）1d3d7d7d28d56d1661668369310831451.16020926833.744.650.8注：绝热温升根据水化热试验估算.表2C35混凝土物理和热性能参数
Table 2C35 concrete physics，thermal properties parameters
物理特征材料参数取值弹模增长指数0.17最终弹模/MPa3.8×104热胀系数/(1/℃)8.1×10-6比热/(kJ/kg·℃)1.1混凝土绝热温升/℃36.44.3温控措施目前国内对大体积混凝土的温度控制主要有以下两种方法:第一是外保法.所谓外保法就是对大体积混凝土结构采取相应保温保湿措施，控制混凝土结构表面温度和湿度不受散失，从而控制混凝土内外温差在规范允许范围内；第二是内降法.内降法就是在大体积混凝土结构中采取布设冷却水管的方式进行降温，来降低混凝土结构内部的最高温升值，使混凝土内外温差在规范允许范围内［4］.综合考虑质量、造价、进度并结合本工程的实际情况，本工程大体积混凝土施工温控方法采用外保法和内降法同时进行.
4.3.1混凝土外部保水保温养护大体积混凝土外部保温的目的主要是为了减少混凝土的内表温差，避免出现温度应力裂缝，故应根据内部温升情况对其外表面采用不同的保温措施.本工程采取综合保温养护的方式，主要措施有：混凝土入模温度控制小于15℃；混凝土初凝后，在其顶面覆盖土塑料薄膜保水养生，并在塑料薄膜上覆盖两层工布及一层彩条布保温；对承台侧面的保温，施工时在承台与围堰之间覆盖土工布，形成临时保温棚保温，同时，将冷却水管排出的温水灌入其间，保温效果良好；同时为了确保混凝土表面温度，拆模时间可以适当顺延，当其内部断面均温与环境温度之差小于20℃方可拆模，拆除模板后，及时用海砂回填间隙进行自然保温.
4.3.2混凝土的内部降温根据混凝土内部温度分布特征及控制最高温度的要求，混凝土内部降温主要采取冷却水管通水的方式进行，承台埋设六层冷却水管，水管水平和垂直间距为0.8 m，冷却水管内径40 mm.通水安排专人负责.通水时间从冷却水管被混凝土覆盖后逐层开始，冷却水温不宜高于30 ℃.升温时段通水流量应使流速达到0.65 m/s以上，流量应大于45 L/min，形成紊流，降温时段，可通过水阀控制减缓通水，流速减半，使水流以层流状态冷却混凝土；至3天左右混凝土内部温度达到峰值，出水口水温可达18～20 ℃之后，通水流量应逐渐降低，直至出水口的水温与进水口水温基本一致为止.5温控的仿真分析甬江特大桥承台结构尺寸为62 m×33 m×5.5 m，承台分两层浇筑，分层厚度为下层3.0 m、上层2.5 m，拟在10月中旬浇筑第一层混凝土，承台浇筑温度可控制在30 ℃以下.5.1模型及边界处理
5.1.1仿真计算模型的建立采用《大体积混凝土施工期温度场及仿真应力场分析程序包》详细计算索塔承台施工期内部温度场及仿真应力场，并根据计算结果制定了不出现有害温度裂缝的温控标准和相应的温控措施进行分析.大体积混凝土浇筑温度场仿真的实现，首先是ANSYS内部函数的宏要能正确反映每个增量步中各种时变参数的变化规律；其次要求真实模拟施工过程中结构的逐步增长，相应的计算模型和边界条件逐渐改变的情况，还要考虑施工环境和施工措施的逐渐改变等.在计算的过程中主要通过运用单元的生与死和宏命令来实现各项参数即边界条件和初始条件的变化.首先杀死所有单元组，再通过单元组的激活表示一个浇筑层的完成，并记下混凝土的龄期，同时以循环过程来实现顺序浇筑过程的仿真.在温度场的计算过程中，水泥的水化热作为主要温度载荷施加在已激活的各个节点上.记录下每一时刻每一节点的温度，便可得到瞬态温度场.然后，重新进入前处理器，将热单元转换为相应的结构单元，设置结构分析中混凝土的材料属性.包括随时间变化的弹性模量.读入每一时刻热分析结果，将节点温度作为体载荷施加到结构应力分析中［2］.
5.1.2模型参数a.根据甬江特大桥承台的结构对称性，取1/4模型进行有限元剖分计算.承台计算网格剖分图见图1.图1承台1/4网格剖分图（附带等效约束基础）
Fig.1Cap 1/4 mesh subdivion picture(In passing equivalent constraint basis)b. 混凝土物理热学参数取值见表2，绝热温升值36.4 ℃，浇筑温度27 ℃，混凝土导热系数估算为206.35 kJ/(m·d·℃).c. 承台混凝土受66根Φ2.2 m的钻孔灌注桩和封底混凝土约束，估算基础弹模为3.0×104 MPa.d. 计算时考虑混凝土施工边界条件，承台侧面考虑处于地面线以下，风速较小，参考气候资料，平均风速按5m/s考虑.顶面考虑覆盖塑料薄膜加土工布保温保湿.经热工计算侧面等效散热系数为1268 kJ/（m2·d· ℃），顶面等效散热系数985 kJ/（m2·d· ℃）.e. 计算时考虑冷却水管降温效果.承台共布设六层冷却水管，冷却水管水平和垂直间距按0.8 m考虑.f. 计算时考虑徐变对混凝土应力的影响，混凝土的徐变取值按经验数值模型［4］：C(t,τ)=C0+A1τ［1-e-k(1-τ)］=
C(τ)［1-e-k(1-τ)］(3)
其中：C(t,τ)为徐变度(1/MPa)；t为混凝土龄期（d）；τ为徐变加荷龄期（d）.5.2仿真计算按施工顺序，大桥承台分两次浇筑，通过计算可得出每一时刻各部位的温度和各方向上的应力.根据计算所得第1层混凝土浇筑后温升峰值时刻温度分布包络图见图2，承台第一层内部最高温度为61.1 ℃，第二层内部最高温度为61.0 ℃，温峰出现时间为2~3天龄期.承台温度应力计算结果见表3.结合表3温度应力结果、表1中C35混凝土抗拉强度可知，承台温度应力危险点主要是在早期，早期安全系数相对较小.同时通过理论计算分析表明，在承台施工及养护期间，混凝土内部及表面的拉应力均未超过相应龄期混凝土的抗拉强度，承台不会产生裂缝.结合计算结果，温控施工的关键点是：①浇筑温度的控制；②冷却水管通水的及时、稳定和持续；③早龄期内表温差的控制；④混凝土的持续养护.
图2承台最高温度包络图
Fig.2Cap maximum temperature envelope picture表3承台温度应力场结果
Table 3Cap temperature stress field values
3d7d28d一年承台第一层1.191.132.102.18承台第二层1.121.061.451.36最小安全系数1.181.861.521.485.3温控指标温度控制的目的是控制温度应力，避免温度裂缝，因此大体积混凝土的施工中应对混凝土的最高温度和内外温差、相邻层温差进行控制.同时要求混凝土内部的温度梯度缓和，并作为温控的主要内容.由于桥梁中大体积混凝土的尺寸和所受约束各不相同，其应采取的温控标准也有所不同.温控标准是由温度和温度应力计算得出并在施工过程中进行调整.本工程中为使大体积混凝土内部的温度场变化按照预想的目标发展.主要温控指标如下：①混凝土内外温差控制小于25 ℃；②混凝土表面与外界空气最低温度之差小于20 ℃；③控制其温度梯度（既混凝土降温速率）不宜大于3 ℃/d；④承台混凝土内部最高温度控制不超过62 ℃.6承台监测成果及分析为了解承台混凝土内部温度分布规律，同时给温控施工提供可靠的数据，根据承台的结构特点，在承台共布设4层测温点共计60个.承台测温点布置示意图见图3.
图3承台测温点立面布置示意图（单位：cm）
Fig.3Cap temperature measurement detail arranging picture (Unit: cm)6.1承台监测成果承台各层温度变化趋势曲线大致相同，见图4（仅示出第二层的温度变化趋势曲线）.承台大体积混凝土温控测试结果汇总见表4.图4第二层温度变化趋势曲线
Fig.4Second layer temperature change trend curve表4承台大体积混凝土温控测试结果汇总表
Table 4Cap massive concrete temperature control testing values itemized table
工程部位第一层第二层上层下层上层下层最高断面均温度/℃47.847.240.946.8最高内表温差/℃14.216.414.920.5内部最高温度/℃52.356.845.749.2表面最高温度/℃34.531.827.226.9最高水化热温升/℃30.232.024.928.7最高气温/℃22.820.318.918.1中心温峰值龄期/d3334表面温峰值龄期/d23336.2承台监测成果分析
6.2.1混凝土内部各层测点区断面平均温度及表面温度变化规律从温度变化曲线图可以看出,各层测点区域断面平均温度随时间的变化规律基本一致.温度变化温度曲线从左至右第一段是由于水化放热作用的升温段，因在冬季施工，水化较快，一般3天左右即达到峰值，持续几小时后温度开始下降.曲线第二段是强制降温段，在冷却水管的持续作用下，混凝土温度快速下降，这段时间混凝土降温速率约为3.0 ℃/d.曲线第三段是自然降温段，曲线平缓下降趋向水平，表明该时间段混凝土降温平缓，达到准稳定态.此外，受上层混凝土放热影响，下层混凝土温度会有一定程度的回升.混凝土表面测点温度曲线规律也呈现出一定的一致性.混凝土表面温度在浇筑后经历一个升温期后在冷却水管的作用下开始降温至气温态.由于测温期间气温变化及昼夜温差趋于平缓，所以混凝土表面温度受影响较小，表现在图中的曲线呈平稳形，但总体是逐渐降低的.从图中可以看到，混凝土断面平均温度和混凝土表面温度均逐渐缩小，温度场趋于均匀，温度梯度减小，有利于防止温度应力裂缝的产生.
6.2.2混凝土内表温差变化规律实际测量显示测温结束时，各测点区域温差稳步下降，温度分布均匀，最大内表温差20.5 ℃，最小内表温差1.6 ℃.从温度曲线图可以看出，测点区域内表温差随时间的变化规律有以下几个特点：内表温差随断面均温升高不断扩大，混凝土断面平均温度峰值出现时，内表温差尚未达到最大值，因为在温度达到峰值后开始降温时，表面点受外界气温影响，在降温初期表面点降温速度比内部降温速度快，所以内表温差在达到峰值的一段时间以后才逐渐降低.内表温差早期下降快，后期下降缓慢，并且在气温较低时出现反弹，且两层混凝土在测温后期出现不同程度的内表温差反弹，这是因为施工期间出现一次寒潮，使表面点降温速度超过内部降温速度，引起内表温差反弹.由于采取了保温措施，内表温差始终控制在许可范围内，并在反弹后缓慢回落.温度场达到准稳态后，下降速度甚微.6.3温度监测结果与理论计算的对比分析混凝土施工过程及养护期间，第一层核心混凝土的龄期为3d时的计算温度场与温度现场监测对比分析见表5.根据以上计算与实测结果及文献［5］可得到以下结论：a. 实测混凝土核心最高温度、内部和表面最大温差、表面和外界气温的最大温差、最大降温速率，均能满足根据仿真计算的由温度和温度应力所得的温控标准的限值范围内.说明施工中采用的温控措施是合理的、有效的.b. 由于参数的复杂性和实验室测定热力学参数与现场存在一定的差异，给有限元仿真分析中采用的边界条件和水化热公式带来了一定的误差.例如仿真计算假设混凝土浇筑温度为27 ℃，内部最高温度为66 ℃，实际浇筑温度在11.3~22.9 ℃，中心最高温度为56.8 ℃，实测值比理论计算值有较大减小，但两者温度变化总趋势基本上是一致的.c. 在现场的温度测试中难免受到施工工艺的影响，也导致了现场测试的误差，如在大体积混凝土中埋设水管和进行通水降温情况比较复杂，测试值的取得存在一定的误差.但并不影响两者温度的总的趋势基本上是一致的.表5混凝土3d的计算温度场与温度
现场监测对比分析表(单位：℃)
Table 5Concrete 3d calculation temperature field and scene monitors contrast analysis
比较中心最高
温度最大水化
热温升表面最高
温度内外最大
温差计算值61.136.236.823.98实测值上层52.330.234.514.2下层56.832.031.816.4以上是对第一层水泥混凝土的温度和温度应力的计算分析，第二层水泥混凝土的计算方法与之相似.通过计算和分析，认为本工程所采取的温控措施可以满足温度裂缝的控制要求.7结语深入分析大体积水泥混凝土浇筑过程的温度场和应力场的发展过程，是合理进行大体积水泥混凝土浇筑过程温控的依据.同时结合实际监测的温度场分布及采取的温控措施，适时调整相应的保温措施，使得承台混凝土在施工及养护期间内部的温度场变化按照预期的目标发展.承台在浇筑施工中历经多次寒潮的袭击，承台均未出现温度裂缝.实践证明，本工程中的各项温控关键技术值得同类工程参考和借鉴.