承台大体积混凝土水化热及温度控制优化分析研究

承台大体积混凝土水化热及温度控制优化分析研究

潘忠岳 ,胡林洲

贵州宏信创达工程检测咨询有限公司  贵州贵阳  550000

摘要：大体积梁混凝土在施工浇筑阶段，因为混凝土中水泥的水化作用产生的热量会造成温度差，可能会使其出现结构性裂缝，会对结构的正常使用造成一定影响，且降低了其耐久性，因此一定要避免大体积混凝土出现温度裂缝。本文采取有限元分析软件Midas/Civil对承台进行大体积混凝土水化热计算分析，研究承台管冷不同进、出水口位置及控制冷却水管水流量对承台大体积混凝土施工阶段水化热的影响，通过优化分析使其得到更好的冷却效果并满足规范要求，并采取必要的温度控制措施，更好的避免施工时温度裂缝的出现，保证承台的施工质量。

关键词：大体积混凝土；水化热；管冷；温度控制；

引言

由于我国大跨径桥梁的持续发展，为了满足桥梁的承载能力，基础结构普遍为大体积混凝土。根据大体积混凝土施工标准，混凝土结构尺寸最小值大于1m时，就可称之为大体积混凝土，或者可能混凝土中水化作用放热而造成温度发生变化进而出现影响其正常使用的裂缝[1]。大体积混凝土施工时水化热反应对结构影响很大，1930年左右，胡佛大坝开始建造，各国学者陆续着手研究大体积混凝土水化热作用机理，并分析其对于混凝土的影响[2]。1950年左右有限元法开始应用到水化热分析中[3]。朱伯芳在二维、三维这种多维温度场的计算中使用有限元法进行分析[4]。目前大体积混凝土综合考虑管冷参数、浇筑温度、环境温度、材料水化热特性等进行有限元仿真分析计算[5]。

本文依托某连续刚构桥承台大体积混凝土，对其进行分析研究，且使用有限元分析软件Midas/Civil对其建立施工阶段仿真计算模型，研究承台大体积混凝土管冷不同进、出水口位置及控制冷却水管水流量对承台施工阶段水化热的影响，并进行优化分析使其能够更好的避免温度裂缝的出现，并采取必要的温度控制措施，使承台施工质量得到有效保证并提供一定参考。

1 工程概况

某跨径为106m+200m+106m的变截面连续刚构桥，桥梁总长为990.1m。承台采用C30混凝土，为矩形承台，单个承台体积为19.8×16.8×6m3，其现场采用的是整体一次性浇筑，且属于大体积混凝土，须要对其进行水化热分析。

承台施工过程中，布置的冷却水管采用的直径是50mm，竖向分6层布置在承台里面对其进行降温，冷却水管的布置方式如下图所示。

2有限元模型建立

本篇使用有限元专业分析软件Midas/Civil针对承台施工阶段进行建模处理，并分析其施工阶段水化热仿真计算结果，承台采用实体单元进行模拟，冷却水管内径采用的是50mm，流水量采用的是2.0m3/h，进水温度采用的是15℃，外界环境温度采用的是20℃，冷却管降温作用于浇筑后170个小时，C30混凝土的比热取值为0.97kJ/(kg.K)，混凝土采用20℃的入模温度，对流系数采用的是12kcal/m2·h·[T]，使用低热水泥，其用量采用的是340kg/m3，最大绝热温升为43.67℃，模型内共有实体单元9780个，节点11550个，冷却水管是经由节点之间的相互连接来实现的，建立的有限元模型如下图所示。

图4 有限元模型图

3 承台水化热计算结果及优化分析

3.1 承台水化热仿真计算结果分析

通过有限元分析软件Midas/Civil针对其水化热分析进行建模处理，并针对其得到的水化热的计算结果进行分析后可得，承台大体量混凝土施工阶段内部核心点的温度随时间变化的曲线如图5所示，施工阶段达到最高温度时的整体温度场的计算结果及应力的计算结果如图6~图7所示。

由以上计算结果可知：承台在浇筑后60小时达到温度峰值，最高温度为52.80℃，表面温度为25.6℃，可以算得承台的里表温差为27.2℃，超过了里表温差允许的最大值25℃，不满足规范的需求；60小时时最大应力是2.67MPa，不满足规范中要求的C30混凝土抗拉强度的标准值2.01MPa，未达到规范的需求；且混凝土内最大温度降低速率约为3.1℃/d，大于温度降低速率允许最大值2℃/d，不满足规范要求。

3.2 调整管冷进、出水口位置优化结果分析

根据承台水化热原设计结果，调整冷却水管进水口及出水口位置，对承台大体积混凝土水化热进行优化分析。将冷却水管进水口及出水口调整为中间进水，两端出水，调整后冷却水管布置如下图所示。

通过有限元分析软件Midas/Civil对承台调整冷却水管进、出水口位置后针对其进行建模处理，并针对其得到的水化热的计算结果进行分析后可得，承台大体量混凝土施工阶段内部核心点的温度随时间变化的曲线如图11所示，施工阶段达到最高温度时的整体温度场计算结果及应力的计算结果如图12~图13所示。

针对承台水化热的计算分析结果进行优化后，由以上分析结果可知：承台在浇筑后60小时达到温度峰值，最高温度为48.93℃，表面温度为26.3℃，可以算得承台的里表温差为22.6℃，小于其里表温差允许的最大值25℃，达到了规范的需求；60小时时最大应力是1.79MPa，小于规范中要求的C30混凝土抗拉强度的标准值2.01MPa，达到了规范的需求；混凝土内最大温度降低速率约为4.3℃/d，远大于温度降低速率允许最大值2℃/d，不满足规范要求。

3.3 调整管冷水流量优化结果分析

根据上述承台水化热计算及优化结果，采用控制冷却水管水流量的措施，进行承台大体积混凝土水化热优化分析。承台大体积混凝土浇筑完成60小时以内，冷却管流水量取2.0m3/h，当承台内部达到最高温度以后，降温过程中冷却管流水量取1.2m3/h，以此来控制混凝土降温过程中的降温速率。

通过有限元软件Midas/Civil对承台调整冷却水管水流量后针对其进行建模处理，并针对其得到的水化热的计算结果进行分析后可得，承台大体量混凝土施工阶段内部核心点的温度随时间变化的曲线如图14所示，施工阶段达到最高温度时的整体温度场的计算结果及应力的计算结果如图15~图16所示。

针对承台水化热的计算分析结果进行优化后，由以上分析结果可知：承台在浇筑后60小时达到温度峰值，最高温度为48.93℃，表面温度为26.3℃，可以算得承台的里表温差为22.6℃，小于其里表温差允许的最大值25℃；60小时时最大应力是1.79MPa，小于规范中要求的C30混凝土抗拉强度的标准值2.01MPa；混凝土内最大温度降低速率约为1.9℃/d，小于温度降低速率允许的最大值2℃/d，以上都满足规范中的要求。

4 承台水化热温度控制措施

承台大体积混凝土如果在施工过程中结构发现裂缝，即使对裂缝进行处理及修复，其整体性想得到恢复依然比较困难。因此若想承台施工的整体质量得到保证，必须对施工阶段的温度进行控制。为了预防温度裂缝的出现，本节将从如下几点针对这种承台大体积混凝土施工阶段温度情况进行把控。

（1）对混凝土的配合比进行优化

使用低热水泥，若混凝土的强度得以保障，且流动性依然能够满足现场要求，可以对水泥的用量进行适当降低，以此可以使其绝热温升得以下降。

（2）严格控温，减小内外温差及表面温度散失

严格控制并降低混凝土的入模温度，混凝土表面需覆盖保温材料，安排专人加强养护，使混凝土内外温差得到有效降低，且严格控制表面温度散失。

（3）施工前期工作准备充分

充分保证施工前期机器安装到位，材料准备充足，且可在混凝土开盘前，通过材料温度对混凝土入模温度进行估算，各项工作皆能准备到位。

5 结论

本文采用有限元专业分析软件Midas/Civil针对某承台大体量混凝土水化热进行建模处理后，并针对其水化热计算结果进行分析，通过调整管冷进、出水口位置及管冷流量对承台水化热进行优化分析，且在承台施工阶段进行必要的温度控制措施，行成如下结论：

（1）通过优化调整承台管冷进、出水口位置能使温度峰值得到有效降低，降温效果明显，且混凝土最大内外温差及最大应力明显较小，因此管冷进、出水口位置优化调整能够有效降低承台水化热，使其满足规范要求；

（2）通过优化调整承台管冷水流量能使承台大体积混凝土施工时降温阶段的降温速率有效降低，满足施工要求；

（3）在承台施工阶段采用必要的承台水化热温度控制手段，能够很好的避免施工时温度裂缝的出现，且能使承台施工的整体质量及耐久性得以提高。

参考文献

[1]中冶建筑研究总院有限公司. 大体积混凝土施工标准[M]. 北京：中国建筑工业出版社, 2018.

[2]朱伯芳. 大体积混凝土温度应力及温度控制[M]. 北京：中国电力出版社, 1999.

[3]Bofang Zhu, Ping Xu. Thermal stress an temperature control of roller-compacted concrete gravity dams[J]. Dam Engineering, 1995(3):199-220.

[4]朱伯芳, 蔡建波. 混凝土坝水管冷却效果的有限元分析[J]. 水利学报, 1985(4):29-38.

[5]Y.A Cengel. Heat and Mass Transfer: A practical approach[M]. 北京：高等教育出版社. 2007.

[6]查国鹏, 李海洋, 王佐才等. 承台大体积混凝土水化热分析及温控措施[J]. 安徽建筑大学学报, 2018,26(01):28-34,39.

[7]占玉林, 段增强, 张强等. 承台大体积混凝土水化热及温度控制措施研究[J]. 世界桥梁, 2018,46(03):45-49.