冬季施工橋梁承臺大體積混凝土水化熱分析

苗 雷，魏進才，劉 毅，朱亞沖，崔鳳坤

(1.中建八局第二建設有限公司，山東 濟南 250022；2.山東交通學院 交通土建工程學院，山東 濟南 250357)

1 工程概況

寧陽至梁山段高速是山東省“九縱五橫一環七連”高速公路網中“橫四”的關鍵部分，本項目與京九鐵路交叉處京九鐵路下行線里程為K502+323.0，交叉角度75.8°，為了減小橋梁施工對既有鐵路線路的影響，跨京九鐵路立交橋采用平面轉體施工工藝，轉體角度為85.3°。主墩(49#橋墩)為矩形空心墩，墩高15.5 m，壁厚1.5 m，橫橋向寬度13.7 m，縱橋向寬度6.0 m。承臺為臺階式，分上、下兩層。上承臺高4.6 m，順橋向長14.6 m，橫橋向寬14.6 m。下承臺為矩形，與鐵路平行布置，順鐵路方向寬21.5 m，垂直鐵路方向長25.3 m，高5.0 m。

下承臺混凝土設計強度等級為C50，澆筑量2 515 m3，為典型大體積混凝土施工。為了降低水化熱影響，下承臺分兩層澆筑，第一層澆筑高度為3.9 m，第二層澆筑高度為1.1 m。下承臺施工期為2020年1月，此時梁山地區已進入冬季施工季節。

2 承臺有限元分析模型

2.1 模型建立

以下承臺為例，利用MIDAS FEA有限元分析軟件，根據下承臺實際尺寸建立承臺施工過程仿真分析模型，依據對稱性原則，取上承臺1/4部分建立模型，如圖1所示。為了提高分析效率和精度，結構整體采用高階六面體單元。模型共劃分為16 379個節點和16 962個單元。

圖1 下承臺有限元分析模型

2.2 邊界條件

(1)位移邊界條件

通過澆筑混凝土將下承臺與樁基礎連接成為整體，因此二者之間應設為固定約束；由于僅取上承臺1/4部分建立模型，因此在下承臺對稱分割面上施加對稱約束。

(2)溫度邊界條件

模型建立時不考慮樁基與下承臺熱傳遞作用，故下承臺底部可取為強制溫度(第一類邊界條件)；下承臺外側面及上表面與空氣接觸，在混凝土澆筑前后，與空氣進行熱交換，為對流邊界(第三類邊界條件)，計算公式見公式(1)。

(1)

式中：β為導熱物體表面放熱系數；Tα為空氣溫度；S為日輻射強度；αs為結構表面輻射熱量吸收系數；n為導熱物體表面外法線方向。

2.3 環境及材料參數

根據GB 50496-2018《大體積混凝土施工規范》計算得出下承臺有限元模型中相關參數，部分參數見表1所示。

表1 環境及材料參數

3 模型數值分析

3.1 承臺溫度場

下承臺在無管冷系統的情況下，核心、側表面溫度經時變化曲線如圖2所示，核心溫度約在115 h時達到溫度峰值68.6 ℃；側表面溫度在50 h左右達到溫度峰值42.8 ℃。達到溫度峰值后，核心及側表面溫度開始下降，核心、側表面溫度降溫速率分別為1.17 ℃/d、2.50 ℃/d。入模溫度為8 ℃時，承臺核心、側表面位置最大溫升值分別為60.6 ℃和34.8 ℃。

圖2 無管冷系統時核心、側表面溫度經時變化曲線

從混凝土澆筑開始到溫度達到峰值前，里表溫差隨時間變化逐漸增大，190 h時里表溫差達到最大值37.4 ℃，已超過規范規定的里表溫差最大值25 ℃，如圖3所示。

圖3 無管冷系統時里表溫差經時變化曲線

由圖2、圖3可知，冬季施工時環境溫度低，承臺側表面會快速與空氣進行熱交換，側表面溫度降溫速率約為核心溫度降溫速率的2.1倍；混凝土急劇升溫后，承臺側表面達到的溫度峰值比核心處低，且峰值持續時間很短，并很快進入降溫階段。因此，承臺表面需采取充分的保溫措施來減小里表溫差。

3.2 設管冷系統承臺溫度場

現場實際管冷系統采用φ38×3.5 mm的薄壁鋼管，利用絲扣套筒將水管接頭處連接，管冷系統使用S形管路布置，水平管間距1.2 m，距離四周邊緣0.63 m；垂直方向共設置三層，層間距2 m，上、下層管冷系統距下承臺上、下表面0.5 m。通過MIDAS FEA模擬管冷系統布置，設入口溫度5 ℃，流量2 m3/h，提取溫度經時變化曲線并分析。

下承臺設置管冷系統時，核心溫度在約85 h時達到溫度峰值64.2 ℃；側表面溫度在約50 h時達到溫度峰值42.4 ℃。達到溫度峰值后核心及側表面溫度開始下降，降溫速率分別為3.79 ℃/d、4.37 ℃/d。核心、側表面溫度在入模溫度8 ℃基礎上對應最大溫升值為56.2 ℃和34.4 ℃，如圖4所示。

圖4 有管冷系統時核心、側表面溫度經時變化曲線

混凝土澆筑后，里表溫差逐漸增大，在130 h時里表溫差達到最大值30.3 ℃，超過規范規定的里表溫差最大值25 ℃，如圖5所示。

圖5 有管冷系統時里表溫差經時變化曲線

4 有無管冷系統的溫度場對比分析

為了分析管冷系統的設置對承臺溫度分布規律的影響，將有無管冷系統的溫度經時變化曲線繪制于如圖6所示。

圖6 有無管冷系統溫度經時變化曲線

未布設管冷系統時，由于大體積混凝土產生大量水化熱，混凝土內部溫度急劇升溫，僅靠自身與外界的熱交換進行降溫，降溫速率與里表溫差均不符合規范要求。

布設管冷系統時，核心、側表面溫度峰值均有所降低，且達到溫度峰值所用時長縮短；核心、側表面溫度降溫速率均有所提高，說明管冷系統有較好的降溫效果。但承臺側表面降溫速率仍大于規范規定值2 ℃/d，核心溫度最大溫升值也大于規范規定值50 ℃。

(3)無論是否設置管冷系統，里表溫差值隨時間變化的的趨勢均是逐漸增大，且里表溫差最大值均大于規范規定值25 ℃。

綜上，冬季橋梁承臺大體積混凝土施工會釋放大量的水化熱，為保證降溫速率和里表溫差滿足規范要求，應采取有效的溫控措施來減小大體積混凝土溫度梯度。

5 冬季施工溫控措施

(1)熟料中含硅酸三鈣和鋁酸酸鈣較少的水泥，能夠減少大體積混凝土的水泥水化熱量，從而減小溫度梯度。故應當選用中熱硅酸鹽水泥、粉煤灰水泥和低熱礦渣水泥。

(2)由于中粗砂比表面積小、孔隙率小，且能夠減少混凝土水泥用量，降低水化熱反應程度，因此，應選用集配良好的中粗砂作為大體積混凝土細骨料。

(3)減水劑能減少拌和用水量，降低水灰比，改善和易性；緩凝劑能夠延長混凝土從塑性狀態向固體狀態轉化時間；膨脹劑使混凝土水化過程中體積膨脹等。所以，在保證混凝土力學性能的前提下，可在施工過程中添加適量摻加劑。

(4)保溫玻璃棉具有良好的保溫效果。大體積混凝土澆筑之前，在模板外側貼一層5 cm厚的保溫玻璃棉，待澆筑后，在承臺頂面覆蓋一層塑料薄膜，然后在塑料薄膜上覆蓋一層5 cm厚的保溫玻璃棉。另外，在承臺周圍模板與保溫棉之間、承臺頂部與保溫棉之間布設蒸汽通道，對澆筑后混凝土進一步養護，養護時間控制在14 d左右。

6 結 語

依托寧梁高速跨京九鐵路立交橋項目，研究管冷系統的設置對冬季施工橋梁承臺大體積混凝土溫度場分布規律的影響。分析結果表明：僅依靠布設管冷系統不能滿足大體積混凝土承臺的施工技術規范要求，因此，對冬季橋梁承臺大體積混凝土的施工采取專項的溫控措施。