基于MidasCivil水化热分析的大体积混凝土拱座施工技术

基于MidasCivil水化热分析的大体积混凝土拱座施工技术

李智

中铁上海工程局集团建筑工程有限公司上海201900

摘要：随着我国基础设施建设规模稳步快速发展，越来越多的大尺寸混凝土结构物出现在人们的视野，对大尺寸钢筋混凝土施工技术的要求也越来越高。在大体积混凝土施工过程中我们最关注的问题之一是混凝土水化热造成的结构开裂问题。本文基于MidasCivil软件开展了大体积混凝土水化热分析，制定了大体积混凝土拱座的温控方案；结合施工过程中实际的温度采集数据进行了稳控措施调整；通过施工结果优化了软件计算参数，总结了一套较为准确的大体积混凝土水化热计算参数。通过本课题的研究确保了项目大体积混凝土拱座高质量完成。

关键词：MidasCivil；水化热；大体积混凝土；温度控制

1前言

大体积混凝土的温升控制和温度裂缝防治直接关系到混凝土结构的质量，一直是工程技术界长期关注的课题。大体积混凝土施工质量控制涉及混凝土的原材料选择、配比设计等前期准备，对混凝土的拌和、运输、浇筑、振捣及养护等施工工艺流程也有较为严格地要求。大体积混凝土施工通过控制混凝土质量、混凝土内部水化热温度、混凝土内表温差及表面约束，达到控制结构物温度裂缝的形成和发展的目的。本工程施工实践主要采用仿真计算软件优化冷凝管的布置，并利用施工过程实际测量温度反馈进一步优化仿真参数，加强对拱脚基础大体积混凝温差控制，从而控制混凝土质量。

2工程概况

新建郑州至万州铁路重庆段站前工程土建4标奉节梅溪河双线特大桥，位于重庆市奉节县梅溪河长江入口上游约1.5km处，拱座基础采用水平桩+竖直桩分离式嵌固基础。拱座共设计4个水平桩，横断面6m（宽）×7~8m（高），长度分别为：J1#墩左侧23m，右侧30m；J2#墩左、右侧均为15m。拱座竖直桩基为不等径截面，桩顶9m部分桩径为φ3.2m，以下部分桩径为φ2.8m，每个拱座有6根桩，共24根。拱座立面见图2-1。

图2-1拱座立面图（单位：cm）

奉节梅溪河双线特大桥主桥有2个拱座，由于提篮拱桥在两岸拱脚处设计成X型岔开结构，每个拱座设计为2个独立的拱座承台，即全桥共有4个拱座承台。拱座承台设计为不规则形状，底面为正方形，长18.2m，宽11.7m；顺桥向两侧面竖直，前后面呈倾斜状，均斜向后方，承台总高度为14.184m。拱座承台混凝土设计均采用C40砼，钢筋均采用HRB400，拱座承台混凝土设计采用C40混凝土，钢筋均采用HRB400螺纹钢筋，拱座承台基坑填方采用C30混凝土。单个承台设计方量2616m³，合计10464m³。

3冷却管的布置及模拟计算

3.1冷却管的布置

根据拱座承台内部温度分布特征及控制最高温度和里表温差的目标，在拱座基础内埋设13层冷却水管，单层水管间间距1.0m，第一层冷却水管距承台底0.5m，其余每层沿高度依次间隔1.0m布置（如图3.1-1、图3.1-2，其中单位为厘米）。冷却水管内径50mm，壁厚3.5mm，外径57mm，冷却水管采用丝扣连接。单根冷却水管按规范原则上不超过200m。

图3.1-1拱座承台冷却水管分层布置示意图

图3.1-2拱座承台冷却水管平面布置示意图

拱座承台采用梅溪河水做冷却水，每层冷却水管设置单独进水口，每个进水口通过独立水阀及流量计控制水流量。在总进水口设置减压阀，用以控制总通水速率。

3.2仿真模拟计算

拱座混凝土设计强度等级为C40，拱座混凝土分三层浇筑：5m+4.3m+4.88m。混凝土浇筑温度：参考《公路桥涵施工技术规范》（JTGTF50-2011）和实际施工条件，控制为15℃；每层浇筑间隔日期：7d；冷却用水：梅溪河水，进水温度控制为10℃，流量为3m³/h。采用MidasCivil软件有限元仿真模拟计算。

第一层：5m第二层：4.3m第三层：4.88m

图3.2-1混凝土温度场分布图（单位：℃）

根据现场实际情况和环境，分别按照浇筑顺序和层高建模，分别对每层承台内部第3天、第7天、第28天最高温度及最大内表温差进行仿真，结果见表3.2-1，满足规范要求，各层混凝相应龄期温度场分布见图3.2-1。

表3.2-1承台温度仿真计算结果

仿真分析温度应力计算结果见表3.2-2，

各层混凝土相应龄期应力场分布见图3.2.2。

表3.2-2承台温度应力仿真计算结果

3.3结果分析

（1）温度场分析结果。

根据MidasCivil水化热仿真计算分析可知，温度场发展规律为：1）承台温度先升高后降低，承台几何中心位置温度最高；2）随着内部温度升高，里表温差呈现出先增大后减小的趋势；3）承台在第7d整体达到温度峰值。内部水化热最高温度计算值符合《大体积混凝土施工规范》（GB50496-2009）"混凝土实际温升不超过50℃"、《公路桥涵施工技术规范》（JTGTF50-2011）"大体积混凝土内部最高温度不得高于75℃"的规定。里表温差符合《公路桥涵施工技术规范》（JTGTF50-2011）"大体积混凝土内表温差控制在25℃以内"的规定。

（2）应力场分析结果。

承台温度应力场发展规律为：1）早期应力集中于承台表面，主要由里表温差引起，因此，在混凝土养护初期需要特别注意里表温差控制，并降低内部最高温度；2）后期应力集中于承台中心，由混凝土降温和干缩引起。因此，随着混凝土龄期增长，承台混凝土养护后期需要注意减少干缩。为确保拱座承台混凝土施工质量应作以下加强措施：

①承台3d、7d应力发展较快，集中于拱座承台上表面、侧面及角点处，应该加强并延长这些部位的保温保湿，提高大体积混凝土早期的抗裂能力；

②承台混凝土养护中后期，混凝土收缩产生的内部拉应力较大，同时第一层浇筑的混凝土与垫层交界处存在一定范围的应力集中，应加强此部位的长期保温保湿养护，防止后期约束累积造成混凝土开裂。

4具体实施

4.1按照施工工艺流程施工准备→基坑开挖及平整→临时坡面喷护→桩头凿除及桩基检测→承台垫层浇筑→承台第一层钢筋、模板、冷却水管安装→承台第一层混凝土浇筑及持续养护→第二层钢筋、模板、冷却水管安装→拱脚预埋段支架及钢拱肋安装、下弦管加强钢筋安装、连接腹杆安装、纵向预应力束安装→承台第二层混凝土浇筑及持续养护→第三层钢筋模板、冷却水管安装→承台第三层混凝土浇筑及持续养护。拱座承台冷却水管采用冷却管采用φ50壁厚3.5mm钢管，冷却水管采用丝扣连接，确保不漏水。承台共设计13层冷却水管，每层冷却水管设置单独进水口、出水口，进、出水口布置在拱座承台临河一侧。冷却水采用梅溪河河水，采用水泵抽送至冷却水管，经循环后排回河里。承台混凝土开始浇筑后，相应的冷却水管网应立即通水冷却，连续通水15~20天，每个出水孔出水量10~20L/min以上。

4.2温控监测点布置

温度检测仪采用JGY-100型智能化数字多回路温度巡检仪，可实现自动、手动巡回检测温度，具有数据记录和数据掉电保护、历史记录查询、实时显示等功能。拱座基础混凝土中共布设8层测点，每层布置2-3层，在浇筑承台混凝土前预埋温度测点，测温点布设力求代表承台大体积混凝土温度分布特征，完成承台里表温差、降温速率及环境温度及温度应变的测试。

5统计与分析

图5-1各节点实测温度曲线

各承台温度变化规律一致，以J1右侧承台为例，在承台混凝土施工时，环境温度最低为19℃左右，最高温度为29℃左右，有限元模拟的承台温度监测数据及数据曲线显示，承台混凝土中心部位最高温度42.9℃。温度随时间变化的曲线总体呈抛物线形，在前40小时内温度的上升速率很快，达到最大温度值之后，温度平稳下降，承台各部位温度变化趋势一致。大体积混凝土的温度时间曲线一般如上图所示。大体积混凝土结构温度何时达到最高点主要决定于配合比、几何尺寸、现场条件等因素，根据工程统计，一般的大体积砼浇筑后3~4d出现最高点，本承台出现最高温度是在第四天左右。降温速率理论上要求温差应力必须小于同一时间的砼抗拉极限强度。跟踪效果显示拱座承台未出现明显裂纹。

6结语

（1）采用MidasCivil软件开展对大体积混凝土水化热分析，合理布置冷却管，能有效降低混凝土内外温差，减少温度应力。

（2）结合施工过程中实际的温度采集数据进行分析，可以通过多种措施，调整进水温度和流速，有利于降低混凝土内外温差，避免产生有害裂纹，延长混凝土结构寿命，确保结构安全。

参考文献：

[1]JTG/TF50-2011，公路桥涵施工技术规范[S].

[2]陈仲先，汤雷.大型桥梁中大体积混凝土的温度控制[J].桥梁建设，2001.