基于有限元仿真的商合杭主塔塔柱首节大体积混凝土施工温控方案分析

谢磊 陈逸梅

芜湖市建筑工程管理处

摘要：针对商合杭铁路芜湖长江公铁大桥工程中混凝土水化热和收缩引起的温度裂缝问题，采用冷却水管降温的方法，通过有限元仿真分析，对不同工况进行温度和应力计算，分析该方法对混凝土内部最高温度的整体控制效果以及对抗裂安全系数的提升幅度，确定避免温度裂缝的安全工况，提高混凝土的施工质量。

关键词：大体积混凝土、温度裂缝、温控、有限元仿真

1引言

大体积混凝土温升很难控制，内表温差较大极易导致混凝土结构开裂，现有桥梁塔柱大部分为空腔结构，受力情况复杂，在变截面部位的应力集中也容易导致开裂^[1-7]。为解决混凝土水化热和收缩引起的温度裂缝问题，本文以商合杭铁路芜湖长江公铁大桥3#主塔塔柱首节大体积混凝土为研究对象，针对工程环境条件和桥梁混凝土结构特点，通过有限元仿真计算对不同工况条件下塔柱的温度和应力分布，分析冷却水管降温的方法对混凝土内部最高温度的整体控制效果以及对抗裂安全系数的提升幅度，确定避免温度裂缝的安全工况。

2工程设计参数

2.1工程概况

芜湖长江公铁大桥是商丘至合肥至杭州客运专线的越江工程，大桥同时搭载芜湖市轨道交通1号线和八车道城市主干路。主桥为（99.3+238+588+224+85.3）m高低塔钢箱钢桁组合梁斜拉桥，全长1234.6m，主跨588m，3#主塔塔顶高程为+125.0m。本文以3#主塔塔柱首节大体积混凝土为对象进行仿真研究。

2.2混凝土配合比及性能指标

塔柱混凝土的配制遵循降低水化热、绝热温升，提高抗裂性、抗渗性，兼顾工作性，同时各项性能均衡发展的原则。3#主塔塔柱C55混凝土配合比见表2-1，本研究设置了两种配合比，配合比A为常规混凝土配合比，配合比B在配合比A的基础上对水胶比、水泥参量、砂率等方面进行了优化。

表2-1塔柱C55混凝土配合比

实测配合比A混凝土7d绝热温升为T₇=50.94℃，实测配合比B混凝土7d绝热温升为T₇=41.65℃，由此可以计算出配合比A混凝土的最终绝热温升值（Ta）为53.2℃，配合比B混凝土的最终绝热温升值（Ta）为43.5℃^[8]。

2.3冷却水管设置

塔柱首节空心段沿四周竖向环形布置水管，水管水平间距为100cm，四个边每边设置一套水管，单套一个进水口，一个出水口，每套水管长度不超过200m，具体布置见图2-2。按照通江水考虑，江水温度取20℃，升温阶段流量取3m³/h，降温阶段取1.5m³/h。塔柱首节按是否通冷却水管分为四种工况（表2-4）。

图2-2塔柱（工况一、工况三）冷却水管布置

表2-4塔柱首节仿真计算采取工况

3有限元仿真分析

根据现行规范、规程^[9-12]的相关要求，并结合芜湖公铁长江大桥塔柱首节施工的实际情况，采用有限元仿真对塔柱首节混凝土进行温度和应力的仿真分析。

3.1温度仿真计算结果分析

图3-1和图3-2分别展示了四种工况条件下混凝土内部温度分布模拟结果。工况一的红色区域温度为55.9-62.0℃，约占截面面积的20%，且较为分散。工况二的红色区域温度为61.8-68.6℃，约占截面面积的25%；温度为57.3-68.6℃的区域约占截面面积的50%，高温分布集中。工况三与工况一相似，红色区域温度为48.2-53.3℃，约占截面面积的20%，较为分散。工况四与工况二相似，红色区域温度为54.1-60.0℃，约占截面面积的25%；温度为50.3-60.0℃的区域约占截面面积的50%，高温分布集中。

工况一的温度峰值明显低于工况二区域温度峰值，工况三温度峰值明显低于工况四区域温度峰值。另一方面，工况二，四高温分布集中，且分布面积占比大。表明，通冷却水有利于降低混凝土内部温度，减小高温集中分布。

图3-1塔柱配合比A混凝土最高温度包络图（单位：℃）

图3-2塔柱配合比B混凝土最高温度包络图（单位：℃）

通过温度仿真结果绘制温度时程图3-3和图3-4，并计算塔柱首节内部最高温度及最大内表温差，计算结果列于表3-3中。从图3-3和图3-4可以看出，塔柱首节温峰及最大内表温差出现时间均为浇筑后第3天。

图3-3塔柱首节混凝土（工况一、二）温度时程图

图3-4塔柱首节混凝土（工况三、四）温度时程图

表3-3塔柱首节温度仿真计算结果

工况一、工况三、工况四塔柱首节内部最高温度计算值和内表温差计算值均符合《铁路混凝土工程施工质量验收标准》（TB 10424-2010）^[12]“混凝土芯部温度不宜超过60℃，最高不得大于65℃”以及“混凝土芯部温度与表面温度之差不宜大于20℃”的规定，工况二均不符合该规定。

工况一的3d混凝土中心点升温速率为14.0℃/d，28天后混凝土的中心点温度下降到33.3℃；工况二的3d混凝土中心点升温速率为16.2℃/d，28天后混凝土的中心点温度下降到41.8℃；工况三的3d混凝土中心点升温速率为11.1℃/d，28天后混凝土的中心点温度下降到28.5℃；工况四的3d混凝土中心点升温速率为13.3℃/d，28天后混凝土的中心点温度下降到35.2℃。

对比分析发现，工况一的内部最高温度较工况二下降6.6℃，工况三的内部最高温度较工况四下降6.7℃；工况一、三的中心点升温速率较工况二、四均下降了2.2℃/d；工况一的最大内表温差较工况二下降2.1℃，工况三的最大内表温差较工况四下降1.8℃。说明通冷却水的混凝土前期升温速率更低，中心点温度更低，降温更可控，内表温差更低；而未通冷却水的混凝土前期迅速升温，内部温度难下降，内表温差于后期上升。

3.2应力仿真计算结果分析

塔柱首节混凝土的温度应力计算结果见表3-4。

表3-4塔柱首节温度应力仿真计算结果

根据《水运工程大体积混凝土温度裂缝控制技术规程》（JTS 202-1-2010）^[8]中规定的大体积混凝土温控抗裂安全系数，如表3-4所示，工况三塔柱各龄期最小抗裂安全系数为1.69（≥1.4），抗裂保证率约为99%，大于95%，开裂风险小；工况一、工况四各龄期最小抗裂安全系数分别为1.36、1.38，抗裂保证率约为96%和97%，均大于95%，开裂风险较小；工况二各龄期最小抗裂安全系数为1.16，抗裂保证率约为45%，开裂风险较大。工况一相对工况二最小抗裂安全系数提高了17.2%，工况三相对工况四最小抗裂安全系数提高了22.5%。两种不同配合比下，采用通冷却水的方式均提高了近20%的最小抗裂安全系数。

图3-5塔柱首节（工况一）温度应力场分布图

图3-6塔柱首节（工况三）温度应力场分布图

工况一、工况三塔柱首节混凝土各龄期应力场分布见图3-5、图3-6。从图中可以看出，1）塔柱首节混凝土早期膨胀，3d应力发展较快，集中于构件上表面，为内表温差引起的拉应力；2）后期混凝土收缩，有部分应力向构件内部转移并逐渐发展至稳定水平；3）早期于空腔变截面处出现应力集中。

开裂风险点在于：1）早期于空腔变截面处出现应力集中，一方面需要通冷却水降低混凝土内部温度，另一方面加强此部位的保温养护，降低内表温差，防止约束累积开裂；2）计算浇筑间隔期为14d，实际施工时应尽量缩短间隔期，注意避免浇筑间隔期过长引起塔柱约束过大。

4结论

（1）通过温度仿真计算结果可以看出，通水冷却的混凝土内部最高温度比不通冷却水的情况降低了7℃左右的水化温升，高温区域分散，截面面积占比小，前期升温更平缓，后期降温更可控，内表温差更低。不通冷却水的混凝土内部高温区域集中、截面面积占比大，前期迅速升温，后期内部温度难下降，内表温差于后期上升。布置冷却水管的方式对降低内部最高温度的效果明显，更加有利于混凝土内部温度的整体控制。

（2）通过应力计算结果发现，工况三各龄期最小抗裂保证率约为99%，开裂风险最小；工况一、工况四各龄期最小抗裂保证率约为96%和97%，开裂风险较小；工况二各龄期最小抗裂保证率约为45%，开裂风险较大。通水冷却的混凝土抗裂安全系数较未通水冷却的提高了近20%，说明通冷却水有利于提高抗裂安全系数，降低开裂风险。在具体的工程施工中，可综合考虑安全系数富余量、经济投入及施工便利性进行工况选择。工况二不作为推荐工况。

（3）塔柱首节混凝土早期（7d前）于空腔变截面部位出现应力集中，需增加防裂附加措施。一方面可以通冷却水降低混凝土内部温度，另一方面需要加强此部位的保温养护，降低内表温差，防止约束累积开裂。计算浇筑间隔期为14d，实际施工时应尽量缩短间隔期，注意避免浇筑间隔期过长引起塔柱约束过大。

参考文献

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