嘉陵江特大橋9# 墩承臺(tái)混凝土澆筑溫度效應(yīng)分析及影響因素敏感性研究

宣曉東，劉 鵬，歐陽華

（1.中交一公局第八工程有限公司，天津市300000；2.中交一公局橋隧工程有限公司，湖南 長沙410114）

0 引 言

在深水大跨徑橋梁建設(shè)中，需要大尺寸橋墩承臺(tái)來承擔(dān)大跨高墩橋梁的承載力、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)整體剛度等要求[1-4]。然而，混凝土在澆筑后因水泥水化凝結(jié)而在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的水化熱[5]，且混凝土熱傳導(dǎo)性較差，致使混凝土內(nèi)外溫差較大（通常可達(dá)20～50 ℃）[6-8]，產(chǎn)生內(nèi)外應(yīng)力差，在混凝土塑性收縮過程中最終產(chǎn)生裂縫[9]，影響混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能和使用壽命。因此，在深水大跨徑橋梁的大體積承臺(tái)混凝土澆筑施工前，研究實(shí)例工程在施工方案下的水化放熱過程、影響因素與影響效應(yīng)，并針對(duì)性地提出溫控措施，對(duì)于減小大體積承臺(tái)混凝土溫度應(yīng)力裂縫，保證橋梁施工、運(yùn)營安全具有十分積極的意義。

目前，常見的控制大體積承臺(tái)混凝土溫度應(yīng)力裂縫的工程措施主要有3 類[10-12]：（1）采用工程措施促進(jìn)混凝土內(nèi)、外部的熱傳遞，常見的措施主要有預(yù)埋冷卻水管道法；（2）直接降低混凝土內(nèi)外溫差，主要的方法有采用冰水拌和；（3）優(yōu)化施工原材料，包括外摻添加劑等措施。其中，預(yù)埋冷卻水管道法是最常用、最直接有效的方法。

本文以重慶市三環(huán)線合川到長壽段龍溪嘉陵江大橋9# 墩承臺(tái)施工為實(shí)例工程，研究冷卻管管徑、冷卻管間距、冷卻管通水量等因素對(duì)降低實(shí)例工程9# 墩承臺(tái)混凝土溫度及溫度應(yīng)力的作用規(guī)律，并研究設(shè)計(jì)方案冷卻水管布設(shè)的合理性。

1 實(shí)例工程概況

1.1 實(shí)例工程簡介

龍溪嘉陵江特大橋?yàn)橹貞c市三環(huán)高速合川至長壽段的控制性工程，連接了合川、北碚、渝北、長壽等大中城市，為重慶高速集團(tuán)長合公司與合川區(qū)政府合建項(xiàng)目，投資金額為37890 萬元。龍溪嘉陵江特大橋于合川區(qū)下游的龍洞沱河段跨越嘉陵江，道路等級(jí)為雙向4 車道高速公路+ 雙向4 車道市政路+人行道，設(shè)計(jì)速度為80 km/h（高速）、40 km/h（市政），橋梁寬度為43.5 m，跨徑布置為3×30 m+4×30 m 預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁+108 m+200 m+108 m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)+5×30 m+5×30 m+4×30 m 預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁，橋梁全長1053 m。下部結(jié)構(gòu)主墩、過渡墩及引橋6 號(hào)墩采用實(shí)體墩，樁基礎(chǔ)；其余引橋墩采用柱式墩，樁基礎(chǔ)；橋臺(tái)采用肋板臺(tái)，樁基礎(chǔ)。

1.2 主跨9# 墩承臺(tái)設(shè)計(jì)

主橋9# 主墩采用整體基礎(chǔ)，承臺(tái)為圓端形，平面尺寸44.5 m×14.5 m×5 m，樁基采用19 根直徑2.8 m 的鉆孔灌注樁，按嵌巖樁設(shè)計(jì)。承臺(tái)的冷卻水管平、立面布設(shè)見圖1。

1.3 混凝土重要參數(shù)

大體積混凝土配合比設(shè)計(jì)原則是配制出絕熱溫升小、抗拉強(qiáng)度較大、極限拉伸變形能力較大、熱強(qiáng)比小、線脹系數(shù)小[5]，自生體積變形最好是微膨脹，至少是低收縮的混凝土。混凝土配合比按照低砂率、低坍落度、低水膠比、摻高效減水劑和高性能引氣劑、高粉煤灰摻量的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖1 嘉陵江特大橋9# 墩承臺(tái)冷卻水管平、立面布置圖（單位：cm）

實(shí)例工程承臺(tái)基礎(chǔ)構(gòu)造尺寸大，承臺(tái)采用C35混凝土。對(duì)承臺(tái)大體積混凝土進(jìn)行溫控計(jì)算，混凝土配合比見表1。

表1 9# 承臺(tái)基礎(chǔ)C35 混凝土配合比 單位：kg/m3

1.4 承臺(tái)施工過程介紹

實(shí)例工程位于西部山區(qū)河流段，橋位處歷年最高水位為208.500 m，最低水位為185.100 m，最大水位差為23.4 m，水深可達(dá)28～50 m，屬于內(nèi)河大型深水基礎(chǔ)。為克服大水位差、大水深、年際沖淤位置變化大、夏季汛期暴雨集中等不利自然條件，創(chuàng)造施工環(huán)境，實(shí)例工程采用鋼吊箱圍堰型式。實(shí)例工程封底混凝土底標(biāo)高186.70 m，厚2.5 m，采用C30 水下封底混凝土。

同時(shí)，實(shí)例工程9# 墩承臺(tái)高度為5 m，承臺(tái)混凝土標(biāo)號(hào)為C35，澆筑總方量為996.35 m3。

1.5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置方案

實(shí)例工程監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置方案如下：

（1）沿豎直方向共分為上、中、下3 層，每層均布設(shè)24 個(gè)測(cè)點(diǎn)，每層測(cè)點(diǎn)布設(shè)位置均一致。

（2）所有測(cè)點(diǎn)均綁扎在骨架鋼筋上。

（3）每個(gè)測(cè)點(diǎn)上布設(shè)1 個(gè)測(cè)溫儀和2 個(gè)應(yīng)變計(jì)。因此，實(shí)例工程共設(shè)置72 個(gè)測(cè)點(diǎn)、72 個(gè)測(cè)溫儀和144 個(gè)應(yīng)變計(jì)。

2 三維模型建立及驗(yàn)證

對(duì)大體積混凝土而言，混凝土開裂最主要的原因是干縮和溫度應(yīng)力。混凝土的凝結(jié)和硬化是水泥與水之間發(fā)生化學(xué)和物理變化的結(jié)果[3]。大體積混凝土澆筑后由于水泥水化放熱作用，將經(jīng)歷誘導(dǎo)期、升溫期、降溫期和穩(wěn)定期4 個(gè)階段[6]，在這4 個(gè)階段中，混凝土的體積亦隨溫度的升降而相應(yīng)膨脹或收縮，各塊混凝土體積變化受到約束時(shí)就會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力，如果該應(yīng)力超過混凝土的抗裂能力，混凝土就會(huì)開裂。

為研究承臺(tái)澆筑施工過程中冷卻管的降溫效果，以及冷卻管設(shè)置參數(shù)變化對(duì)冷卻效果的具體影響，本文考慮借助邁達(dá)斯軟件FEA 版塊建立三維有限元模型進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 基本方程

2.1.1 絕熱溫升計(jì)算

水化熱函數(shù)采用朱伯芳院士提出的三參數(shù)指數(shù)函數(shù)的形式[6]，絕熱溫升T（t）為：

式中：W 為單位體積混凝土的膠凝材料用量；Q 為單位質(zhì)量水泥產(chǎn)生的水化熱，C35 混凝土水化熱為375 kJ/kg；C 為混凝土的比熱容，C35 混凝土的比熱容取0.90～0.95；ρ 為混凝土密度，C35 混凝土密度為2500 kg/m3；m 為澆筑混凝土系數(shù)，實(shí)例工程取0.35；t 為混凝土齡期。

經(jīng)計(jì)算，實(shí)例工程混凝土的最大絕熱升溫值為59.76 ℃。

2.1.2 彈性模量

混凝土彈性模量E（τ）隨時(shí)間τ 的增長曲線采用四參數(shù)雙指數(shù)形式[7]，表達(dá)式如下：

式中：E0為混凝土初始彈性模量；E1為混凝土彈性模量增加量，即混凝土最終彈性模量與初始彈性模量之差；α、β 分別為與彈性模量增長速率相關(guān)的2個(gè)參數(shù)。

2.1.3 徐變度

根據(jù)文獻(xiàn)[13]，混凝土徐變度C（t，τ）按照下式取值：

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

2.2.1 混凝土物理力學(xué)參數(shù)

承臺(tái)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C35，封底混凝土為C30，混凝土強(qiáng)度參考值按經(jīng)驗(yàn)取值，結(jié)果見表2。

表2 混凝土物理力學(xué)性能參數(shù)值

2.2.2 模型主要計(jì)算參數(shù)

水冷管采用直徑40 mm 鋼管。水冷管通水時(shí)間為10 d，冷卻水管流量為1 m3/h。模型中用到的計(jì)算參數(shù)還有：封底混凝土的強(qiáng)制溫度15 ℃、混凝土入模溫度25 ℃；另外，由于承臺(tái)施工期間環(huán)境溫度變化難以推測(cè)，根據(jù)工程建設(shè)區(qū)域施工前1年（2018年）7月份氣溫情況，采用正弦函數(shù)來模擬1 d 內(nèi)的溫度變化，其中溫度最高值為40 ℃，最低值為24 ℃。模型主要計(jì)算參數(shù)見表3。

表3 模型主要計(jì)算參數(shù)表

2.3 三維模型建立

采用邁達(dá)斯軟件建立三維有限元模型，并采用三維模型建立結(jié)果見圖2。

圖2 三維模型建立與網(wǎng)格劃分

2.4 三維模型計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

取35# 測(cè)點(diǎn)（位于中層）為代表，分析實(shí)例工程在設(shè)計(jì)方案下，施工過程中溫度值及應(yīng)力值變化比較，比較結(jié)果見圖3。

圖3 實(shí)例工程計(jì)算精度對(duì)比圖

經(jīng)過大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，在2275 組實(shí)測(cè)、計(jì)算數(shù)據(jù)中（包括應(yīng)變、溫度），計(jì)算誤差在10%以內(nèi)的數(shù)據(jù)1744 組，占比為76.7%；計(jì)算誤差在20%以內(nèi)的數(shù)據(jù)共1899 組，占比為83.5%。可見本文數(shù)模計(jì)四邊形網(wǎng)格劃分計(jì)算區(qū)域。算結(jié)果與實(shí)例工程實(shí)測(cè)結(jié)果較為相似，能夠很好地反映真實(shí)情況。

3 三維模型計(jì)算結(jié)果分析

3.1 冷卻管降溫效果分析

采用有冷卻管、無冷卻管2 種模型進(jìn)行建模分析，定量判斷冷卻管的降溫效果。經(jīng)數(shù)模計(jì)算分析，承臺(tái)水化熱在前240 h 變化較明顯，之后趨于穩(wěn)定。因此本文選擇50 h、140 h、220 h 作為典型時(shí)段進(jìn)行分析。為更好地觀察混凝土內(nèi)部溫度分布情況，只取承臺(tái)部分區(qū)域進(jìn)行展示分析，計(jì)算結(jié)果見圖4。

圖4 冷卻管降溫效果過程云圖

由圖4 可知：

（1）在不埋設(shè)冷卻管情況下，混凝土內(nèi)部溫度升溫迅速，降溫緩慢，直到215 h 才達(dá)到最大溫度（47.2 ℃）。埋設(shè)冷卻管后，混凝土內(nèi)部溫度升溫迅速，但由于冷卻管作用，混凝土內(nèi)部溫度快速下降；在79.2 h 達(dá)到最大溫度26.8 ℃，比不埋設(shè)冷卻管工況提早了135.8 h，大幅減少了混凝土高溫持續(xù)時(shí)期，同時(shí)最大溫度也減少了20.4 ℃。埋設(shè)冷卻管后，對(duì)混凝土外部溫度也略有影響，但影響相對(duì)較小。

（2）埋設(shè)冷卻管后，混凝土內(nèi)外最大溫差由28.8 ℃下降至15.2 ℃，減少了13.6 ℃，有效緩解了混凝土內(nèi)外溫度應(yīng)力差值。

（3）配置冷水管后，混凝土內(nèi)溫度明顯變均勻。混凝土內(nèi)部，尤其是冷卻管周邊區(qū)域溫度下降明顯。

埋設(shè)與不埋冷卻管的不同工況下，冷卻管降溫效果對(duì)比統(tǒng)計(jì)見表4、圖5。

表4 冷卻管降溫效果對(duì)比統(tǒng)計(jì)

圖5 冷卻管降溫效果統(tǒng)計(jì)對(duì)比圖

以140 h 為代表，有冷卻管、無冷卻管2 種模型下的承臺(tái)混凝土最大應(yīng)力云圖見圖6；2 種模型下的承臺(tái)混凝土最大主應(yīng)力變化過程見圖7。分析可知：

（1）設(shè)置冷卻水管前，實(shí)例工程最大應(yīng)力達(dá)到2.39 MPa，遠(yuǎn)大于C35 混凝土最大拉應(yīng)力1.52 MPa的臨界要求，且在澆筑后220 h 時(shí)還呈緩慢增大趨勢(shì)，如此將持續(xù)造成承臺(tái)混凝土開裂。

（2）設(shè)置冷卻水管后，由于冷卻管有效減小了混凝土內(nèi)部溫度，從而大幅減小了混凝土內(nèi)部應(yīng)力。在圖7 工況下，混凝土內(nèi)部最大應(yīng)力由2.39 MPa 減小為0.66 MPa，遠(yuǎn)小于1.52 MPa 的臨界要求。

3.2 冷卻水流量影響

維持冷卻水管管徑為40 mm 不變，設(shè)置通水量分別為0.5 m3/h、1.0 m3/h、1.5 m3/h、2.0 m3/h 的4 組對(duì)比方案。取模型中間點(diǎn)為研究對(duì)象，在不同冷卻水流量下，研究該點(diǎn)溫度變化過程，見圖8。由圖8 可知：

圖6 混凝土澆筑140 h 時(shí)最大應(yīng)力云圖分布情況

圖7 混凝土最大應(yīng)力變化過程

（1）冷卻水管流量越大，冷卻效果越好。在4 種流量工況下，最大溫度分別為27.3 ℃、26.8 ℃、26.5 ℃、26.3 ℃。

（2）在升溫階段（0～90 h），混凝土內(nèi)部水化熱上升迅速，增大冷卻水管流量對(duì)實(shí)例工程最大溫度影響十分微弱。在降溫階段（90～220 h），增大冷卻水管流量可以略微降低溫度，但是降低幅度十分有限。當(dāng)通水量由0.5 m3/h 增大至2.0 m3/h 時(shí)，流量增大了1.5 m3/h，增大了4 倍，但是最大溫度僅下降了1℃。

（3）綜合來看，冷卻水流量的增加對(duì)整體降溫效果作用有限，且增大冷卻水流量對(duì)水泵等機(jī)械設(shè)備要求較高，耗材增加大，性價(jià)比較低。因此，建議實(shí)例工程仍維持1.0 m3/h 的設(shè)計(jì)流量。

圖8 不同冷卻水流量下溫度變化過程

3.3 管徑影響

維持冷卻水通水量為1.0 m3/h，設(shè)置管徑分別為35 mm、40 mm、45 mm、50 mm 的4 組對(duì)比方案。仍取模型中間點(diǎn)為研究對(duì)象，在不同管徑下，研究該點(diǎn)溫度變化過程，見圖9。由圖9 可知：

（1）4 組工況下，最大溫度分別為26.9 ℃、26.8 ℃、26.7 ℃、26.7 ℃。可見增大管徑，對(duì)實(shí)例工程溫度下降有微弱作用。同時(shí)，在降溫階段（90～220 h），增加管徑對(duì)混凝土溫度的降低作用略大于升溫階段（0～90 h）。

（2）考慮到管徑增大對(duì)降低混凝土溫度作用影響較小，且預(yù)埋冷卻水管道管徑過大對(duì)施工要求較高，存在施工風(fēng)險(xiǎn)，因此建議維持40 mm 管徑方案。

圖9 不同管徑下溫度變化過程

3.4 管道豎向間距影響

經(jīng)論證，在保證工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和施工可行性前提下，實(shí)例工程冷卻水管的最小豎向間距為1.0 m。維持冷卻水通水量為1.0 m3/h，管徑為35 mm，分別設(shè)置冷卻水管間距為1.0 m、1.5 m、2.0 m、3.0 m 的4 組對(duì)比方案，取模型中間點(diǎn)為研究對(duì)象，在不同管道間距下，研究該點(diǎn)溫度變化過程，見圖10。由圖10可知：

（1）4 組工況下，最大溫度分別為26.8 ℃、33.7 ℃、37.1 ℃、42.7 ℃，最大溫度出現(xiàn)時(shí)間依次為70.1 h、88.4 h、93.6 h 和122.2 h。可見管道豎向間距能顯著降低混凝土內(nèi)部溫度，同時(shí)能減小混凝土升溫時(shí)間。

（2）合理減小管道間距能有效降低混凝土水化熱溫度，小間距的冷卻水管道布設(shè)降溫優(yōu)勢(shì)明顯。設(shè)計(jì)方案中已經(jīng)采用了最小豎向間距，布設(shè)合理。

圖10 不同管道間距下溫度變化過程

3.5 推薦方案與規(guī)范符合性分析

經(jīng)上述分析，認(rèn)為設(shè)計(jì)方案（采用埋設(shè)冷卻水管方案，水冷管采用直徑40 mm 鋼管；水冷管通水時(shí)間為10 d，冷卻水管流量為1 m3/h，豎向間距設(shè)為1.0 m）即為最優(yōu)推薦方案。推薦方案計(jì)算結(jié)果符合《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）要求，分析過程如下：

（1）最大應(yīng)力。設(shè)置冷卻水管后，由于冷卻管有效減小了混凝土內(nèi)部溫度，從而大幅減小了混凝土內(nèi)部應(yīng)力，最大應(yīng)力由2.39 MPa 減小為0.66 MPa，滿足規(guī)范中小于1.52 MPa 的臨界要求。

（2）混凝土裂縫比率（法向）。法向裂縫比率= 輸出容許應(yīng)力/ 產(chǎn)生應(yīng)力，在保證通水的情況下裂縫比率最小值應(yīng)大于1.0。經(jīng)計(jì)算，實(shí)例工程在220 h時(shí)，承臺(tái)混凝土法向裂縫比率最小值為5.0，滿足要求。

混凝土法向裂縫比率分布云圖見圖11。

圖11 承臺(tái)混凝土法向裂縫比率分布云圖

4 結(jié) 語

（1）配置冷水管后，混凝土內(nèi)溫度明顯變均勻，降溫效果明顯，混凝土內(nèi)外最大溫差由28.8 ℃下降至15.2 ℃，減少了13.6 ℃；最大應(yīng)力由2.39 MPa下降至0.66 MPa。

（2）冷卻水通過量和管徑增大對(duì)混凝土溫度下降作用十分微弱，且管徑增大會(huì)影響混凝土結(jié)構(gòu)整體性。

（3）減小管道豎向間距可以有效降低混凝土溫度，小間距的冷水管豎向布設(shè)降溫效果明顯，在工程造價(jià)、設(shè)備性能允許且保證混凝土整體穩(wěn)定性的前提下，應(yīng)盡可能減小管道豎向間距。

（4）經(jīng)研究，設(shè)計(jì)方案的排水管布設(shè)為最優(yōu)方案。在設(shè)計(jì)工況下，混凝土內(nèi)部最大溫度為26.8 ℃，最大應(yīng)力為0.66 MPa（滿足小于1.52 MPa 的規(guī)范要求），且混凝土法向裂縫比率均大于5.0（滿足規(guī)范大于1.0 的要求），說明設(shè)計(jì)方案合理、可行。