大體積承臺混凝土水化熱仿真模擬計算及溫控方案優化

呂世鯤

摘要： 以大跨度連續梁主墩大體積承臺基礎為研究對象，通過有限元分析軟件midas civil模擬溫度場分布，用來設計和優化施工中的保溫降熱措施，減小混凝土內外溫差，有效避免了裂縫的產生，本工程的經驗，對類似施工中的優化溫控和防裂措施，有一定的借鑒作用。

Abstract： The large-scale continuous-girder pier main bulk foundation platform was used as the research object. The finite element analysis software midas civil was used to simulate the temperature field distribution. It was used to design and optimize the heat-preservation and heat-reduction measures during construction， and reduce the temperature difference between the inside and outside of the concrete， thus avoiding the occurrence of cracks. The experience of this project can be used as a reference for optimization of temperature control and crack prevention measures in similar constructions.

關鍵詞： 大體積混凝土；溫度控制；冷卻管；有限元

Key words： mass concrete；temperature control；cooling pipe；finite element

中圖分類號：U443.25 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）14-0184-05

0 引言

大體積混凝土施工時，由于膠凝材料水化過程產生了大量的水化熱，熱量在結構體中產生梯度溫度效應，當梯度溫差過大時，混凝土結構將產生裂縫，嚴重時甚至會出現貫通裂縫，對結構的耐久性產生嚴重的影響[1]。本文基于大跨度連續梁主墩承臺基礎施工，利用有限元軟件Midas civil對施工的溫度場分布進行了全真模擬和分析，優化了冷卻水循環系統的布設和保溫隔熱措施，澆筑之后對結構內外不同部位的溫度進行實時測控進行比對驗證，以此來確保大體積混凝土的施工質量。

1 工程概況

連鎮鐵路跨鹽邵河連續梁橋跨布置為（75+128+75）m，719#主墩基礎一階承臺幾何尺寸為13.6m×18.8m，厚度為4.0m。承臺基坑四周采用拉森鋼板樁圍堰，基坑封底采用1.0m厚C20混凝土，一階承臺采用C30混凝土。一階承臺一次性連續澆筑成型，澆筑方量1022.7m3，施工工期在8月底，天氣溫度高，澆筑溫度控制難度大。

根據夏季施工方案和熱工計算的結果，通過抽取深井水作為拌和水，骨料在棚內利用空調降溫以及水中加入冰塊的方法，降低混凝土溫度；還根據天氣預報情況，選取氣溫較低的夜間時段進行施工；還在承臺中提前預埋冷卻水管，澆筑后即通過冷卻循環水降低混凝土內部溫度。通過Midas civil軟件的仿真分析計算，采取了一系列的溫控措施，最終達到了夏季大體積混凝土施工的溫控目的。

2 分析模型的施工階段模擬

為了更準確地利用Midas civil軟件對模型進行水化熱分析，結合現場的實際施工情況，將模型的施工分為兩個階段：

第一階段：施工封底墊層混凝土，混凝土設計強度C20，尺寸20.8m×15.6m，厚1.0m，施工結束20天（約500小時）后，再施工第二階段。

第二階段：一階承臺混凝土在拌和站集中拌和，混凝土罐車拉運至現場后，用混凝土泵車泵送入模，從單端斜向分層連續澆筑。承臺四周模板采用組合鋼模厚10mm，模板與基坑鋼板樁圍堰空間1.0m。施工環境溫度25℃，混凝土入模溫度20℃；混凝土澆筑結束后，表面采用4cm厚草袋進行覆蓋灑水保濕養護。

3 相關分析數據的取值與計算

3.1 混凝土配合比

承臺混凝土設計強度等級C30，水泥采用普通硅酸鹽水泥，粉煤灰摻量按膠凝材料總量的30%摻入，水膠比0.4，配合比如表1。

3.2 材料特性以及環境熱量交換參數

根據相關資料，取midas civil中計算的相關參數，如表2。[2]

3.3 混凝土絕熱溫升

混凝土內部的最高溫度，實際上是由澆筑溫度、水泥水化熱引起的絕對溫升和混凝土澆筑后的散熱溫度三部分組成。根據公式[3]計算得出承臺混凝土的絕熱溫升：

利用midas civil模擬C30混凝土的放熱函數如圖1。

3.4 澆筑體的熱對流系數

承臺混凝土澆筑后，表面及四周覆蓋4cm厚的草袋進行保溫保濕養護，則承臺與空氣的熱對流系數根據公式[5]計算為：

4 有限元模型建立

由于承臺模型具有對稱型，為了便于查看混凝土內部溫度分布情況，將承臺從縱橫向1/2處切開，選取1/4承臺做為模型。承臺下方樁基礎采用等效墊層處理，為了更精確地反應熱量在地基中的傳遞，在1.0m的墊層下方選取3.0m厚地基土作為模型進行分析。有限元單元取實體單元，將承臺切分為單個單元大小0.8m×0.8m×0.5m，進行溫度場的仿真分析。模型如圖2。

5 不同邊界條件下的溫度場仿真模擬及方案比選

將以下3種冷卻管布設措施分別進行模擬計算，進行方案比選。

分析情況如下：

5.1 無冷卻管時的承臺溫度場仿真計算

將混凝土入模溫度控制在20℃，施工氣溫按平均25℃模擬，混凝土一次性連續澆筑結束，則7d溫度場的計算結果如圖3，溫度時間關系如圖4。

由上述分析結果得知，前3d水化熱量放熱速率最高，第8d時混凝土的芯部溫度達到峰值70.6℃，此時表面溫度為34.0℃，內外溫差達到36.6℃，遠大于規范允許溫差值25℃。

當混凝土內外截面溫差較大時，混凝土內部產生了較大的溫度應力。在水化熱反應初期，由于內部的體積膨脹大于外表面的體積膨脹，導致外表面承受拉應力內部產生壓應力；水化熱達到峰值后會逐漸降溫，在降溫過程中，與水化反應初期相比，內部的體積收縮大于內部的體積收縮，導致外表面承臺壓應力內部產生拉應力。由溫差產生的溫度拉應力大于混凝土的抗拉強度時，混凝土就會產生裂縫。因此需采取必要措施控制混凝土內部溫度上升。因此，不設冷卻管的一方案不可行。

5.2 三層冷卻管時的承臺溫度場仿真計算

其它外部條件不變，冷卻管水平間距1.5m布置，如圖5；豎向間距按1.0m布置，如圖6。

冷卻管采用內徑Φ46mm，壁厚2mm鋼管，水的流入溫度20℃，流速按1.2m3/h控制，冷卻水作用于混凝土澆筑結束后前100h，通過軟件仿真分析，7d溫度場的計算結果如圖7，芯部和表面溫度時間關系如圖8。

由上述分析結果得知，加設冷卻管之后，混凝土內部水化產生的熱量伴隨著冷卻水的循環被對流排出，冷卻管周圍溫度有顯著的降低，有效避免了熱量在混凝土內部的大量集聚。在第5d時芯部溫度達到峰值56.8℃，此時表面溫度為33.3℃，內外溫差23.5℃，小于規范允許內外溫差值25℃。另外，100h后未再通入冷卻水，混凝土整體降溫速率較緩，芯部平均溫降為0.6℃/d，小于規范允許溫降2.0℃/d，可根據實際溫度實時監測情況，在不超規范允許的情況下，適當再通入冷卻循環水。

5.3 兩層冷卻管時的承臺溫度場仿真計算

冷卻管水平間距同上，豎向間距按1.4m、1.2m、1.4m布置，如圖9。

冷卻管材質、水溫、流速、冷卻水作用時間等同上，通過軟件仿真分析，7d溫度場的計算結果如圖10，芯部和表面溫度時間關系如圖11。

由上述分析結果可知，在第5d時芯部溫度達到峰值60.7℃，在第7d時內外部溫差最大，芯部溫度59.2℃，表面溫度35.1℃，內外最大溫差為24.1℃，小于規范允許內外溫差值25℃；芯部平均溫降為0.8℃/d，小于規范允許溫降2.0℃/d。此分析結果表明，采用兩層冷卻管時，也可滿足溫控的要求。由于兩層冷卻管與三層冷卻管相比較更加經濟，所以施工選用優化后的方案三。

6 混凝土溫度監控

6.1 測溫元件的埋設

為了準確測量、監控混凝土的內部溫度，指導混凝土的通水養護，需在承臺混凝土內合理的布設測溫元件進行測溫。監測點的布置以承臺平面圖對稱軸線的半條軸線為測試區，每條軸線上不少于4處，分層布置。具體布置如圖12、圖13。

6.2 混凝土溫度監控

測溫頻次為第1～5d時2h測一次，6～7d時4h測一次，同時測定大氣溫度。實際測溫數據與模擬計算基本相近，而且內外溫差小于25℃規范要求。根據實際測量溫升和溫降數據，調整冷卻水管的進水水壓，并適當階段性的進行通水，在整個養護過程中，始終保持內外溫差不大于25℃，溫降速率不大于2.0℃/d，且芯部最高溫度不高于65℃。養護期結束后，未發現任何裂縫。

7 相關建議及結論

大體積混凝土溫控貫穿了整個施工過程，從原材料選擇、配合比設計、混凝土的攪拌、運輸、澆筑以及養護、通水降溫、包裹保溫等全過程，是一個系統的工程。尤其是夏季炎熱天氣施工時，更應確保各種溫控措施的應用到位。具體措施如下：

①條件允許的情況下，選取中、低熱硅酸鹽水泥或低熱礦渣硅酸鹽水泥做為原材料[6]，控制水化熱總量；摻入適量的粉煤灰、礦粉等摻合料，也能對降低水化熱起到一定的效果，但摻入粉煤灰較多時，也會影響混凝土的抗拉強度；摻入緩凝型高效減水劑，使混凝土凝結時間變長，緩解前期水化熱的急劇增加。

②降低混凝土的入模澆筑溫度。通過計算，入模溫度25℃和20℃時比較，產生的水化熱要大得多。因此，夏季施工時，必須測定水泥、粉煤灰、骨料和水的溫度，通過熱工計算得出各種材料可行的拌和溫度。另外，要盡量縮短混凝土出機至澆筑入模的時間，減少混凝土的溫升。

③大體積混凝土應按照“內降外保”的原則，對混凝土內部采取設置冷卻水管通入冷卻循環水冷卻，對外部采取覆蓋蓄熱或蓄水保溫等措施。內部通水降溫時，進出水口的溫差宜小于10℃，降溫速率宜小于2℃/d。冷卻水管宜按1.5m的間距進行布設，管徑、壁厚、材質、通水流量等需經過計算或試驗確定。

8 結束語

跨寧啟鐵路特大橋719#大跨度連續梁主墩承臺的施工，通過有線元軟件Midas civil的應用分析，模擬出混凝土采取不同溫降措施下內部溫度場分布，計算精度相對較高，結果顯示詳細直觀，為指導現場溫控施工提供了有力的依據。通過水化熱的減緩，確保了混凝土的抗裂性能，有效地完成了大體積混凝土的溫控任務；同時保障了工程的施工質量，控制了承臺的裂縫產生，帶來了一定的經濟效益，為類似工程施工提供了借鑒和參考。

參考文獻：

[1]趙健，田亮，高偉.混凝土水化效應的抗裂性能優化與數值模擬分析[J].鐵道建筑技術，2017（8）：5-6.

[2]張春閣，丁巖.基于Midas Civil的大體積混凝土溫度應力計算及防裂技術措施[J].中國港灣建設，2012（4）：17.

[3]中國鐵路總公司.鐵路混凝土工程施工技術規程：Q/CR 9207-2017[S].147-148.

[4]朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制[M].中國電力出版社，1999：18.

[5]中國鐵路總公司.鐵路混凝土工程施工技術規程：Q/CR 9207-2017[S].157-158.

[6]中華人民共和國住房和城鄉建筑協會.大體積混凝土施工規范：GB50496-2009[S].北京：中國計劃出版社，2009：12.