长大0＃段混凝土水化热分析与控制

吕志军

(中铁十六局集团第五工程有限公司 河北唐山 064000)

1 引言

矮塔斜拉桥又称部分斜拉桥[1]，其兼有传统预应力混凝土连续梁桥的刚性和斜拉桥的柔性，受力合理、性价比高，适用于中等跨度桥梁，在对刚度要求较高的铁路梁桥中具有很强的竞争力[2－3]，为此近年来得到快速发展。随着材料性能改进和施工工艺水平逐步提高，矮塔斜拉桥向着多跨、宽梁、高墩等方向发展。

矮塔斜拉桥梁体0＃段混凝土属于大体积混凝土，在浇筑施工过程中，因水化热效应、施工养护、环境变化以及复杂的内外约束关系，极易出现温度和收缩裂缝，严重者还会产生危及结构安全的贯穿裂缝[4－6]，影响桥梁结构的施工质量，也会因处理裂缝而增加额外费用，因此大体积混凝土水化热控制是桥梁施工控制的一项主要内容。目前，许多研究者结合实际工程施工，对桥梁承台和桥墩等大体积混凝土水化热问题进行了研究[7－9]。在较大跨度桥梁施工中，梁体一般也属于大体积混凝土浇筑问题，对其进行水化热分析与控制同样必要。为此，本文结合新建黄黄铁路巴河特大桥主桥(44.5＋108＋2×200＋108＋44.5)m预应力矮塔斜拉桥长大0＃段混凝土水化热控制问题进行研究，通过有限元仿真分析讨论不同浇筑顺序及降温措施对水化热的影响规律，并以此为依据，提出能够达到目标要求的施工控制措施，以保证0＃段的浇筑施工质量。

2 工程概况

巴河特大桥主桥全长705 m，桥跨布置为(43.65＋108＋200＋200＋108＋43.65)m预应力混凝土部分斜拉桥，边墩及辅助墩支座横桥向中心距4.65＋4.65 m，边塔支座横桥向中心距4.75＋4.75 m。主梁为预应力混凝土单箱双室直腹板箱梁，采用C55混凝土，边跨直线段及中跨跨中截面最低点处梁高6.0 m，中支点最低点处梁高11.5 m，轨道结构高度725 mm。梁高按圆曲线变化，圆曲线半径R＝836.21 m。箱梁顶板宽14.1 m，底板宽11 m，顶板厚度50 cm，底板厚度45～120 cm，中支点处局部加厚到220 cm，腹板厚度分别为45 cm、60 cm、90 cm。如图1所示，主梁0＃段高12.5 m、长20 m，混凝土体积为1 418.5 m3，属大体积混凝土。

图1 0＃块示意(单位:mm)

3 水化热分析参数

该桥主梁0＃段混凝土强度等级为C55，每立方米胶凝材料用量为400 kg，胶凝材料水化热总量为320 kJ/kg。施工时间为1～3月份，环境平均温度为15℃。

(1)最大绝热温升

混凝土最大绝热温升可由下式计算:

式中:W为每立方混凝土胶凝材料用量，取400 kg/m3；Q为胶凝材料水化热总量，取320 kJ/kg；C为混凝土比热容，取0.92～1.0 kJ/(kg˙℃)；ρ为混凝土密度，取 2 400～2 500 kg/m3。

故按照本工程材料参数，计算得到的理论最大绝热升温为:

(2)C55混凝土材料热工参数

①比热:0.25 kcal/(kg˙℃)；

②比重:2 400 kg/m3；

③热传导率:2.3 kcal/(m˙hr˙℃)；

④对流系数:12 kcal/(m2˙h˙℃)；

⑤热膨胀系数:1.0×10－5。

(3)冷却水参数

①比热:1 kcal/(kg˙℃)；

②比重:1 000 kg/m3；

③流入温度:15℃；

④流量:5.0 m3/hr；

⑤对流系数:319.55 kcal/(m2˙h˙℃)。

4 托架预压

4.1 分析模型

为保证0＃段施工质量，防止出现裂缝，采用Midas FEA软件建立了三种不同施工方案下的0＃段模型，具体如下:

(1)0＃段一次性灌注成型，不设置冷却管。考虑到实际模型尺寸较大，所需划分网格较多，故此根据对称性，只取0＃段的四分之一建立有限元模型并进行分析。

(2)0＃块分两次灌注成型，第一次灌注8.38 m，第二次灌注3.12 m，不设置冷却管。

(3)0＃块分两次灌注成型，第一次灌注8.38 m，第二次灌注3.12 m，两次灌注均设置冷却管。冷却管采用ϕ40×2.5 mm钢管，冷却管间距1.0 m，每组冷却管均为单进单出。第一次灌注共布置18组，其中两侧耳墙内各布置2组，横隔墙内布置12组，墩梁交接倒角位置的底板内各布置1组；第二次灌注共布置4组，均布置在横隔墙内。

4.2 结构分析计算

(1)一次灌注成型

根据仿真计算结果，0＃块一次浇筑成型时，横隔墙内部温度整体较高，最高温度值为Tmax＝71.2℃，内外最大温差达到40.3℃，已超过内外温差限制要求。0＃段表面大部分区域主拉应力超过了极限拉应力3.3 MPa，主拉应力最大值达13.5 MPa，梁体开裂不可避免，所以一次灌注成型不满足防裂控制要求。

(2)二次灌注成型

不设冷却管二次浇筑成型时，根据有限元模拟结果，横隔墙内部温度在第一次浇筑时达到最大为Tmax＝62.9℃，内外最大温差为34.6℃，0＃段水化热整体升温情况较一次浇筑成型有所改善，但是内外温度差仍超过施工限制要求。

第一次浇筑时，0＃段主拉应力最大值为6.4 MPa，高应力区主要位于墩梁固结的下倒角表面，此时表面大部分区域主拉应力接近极限拉应力3.3 MPa；第二次浇筑时主拉应力最大值为4.4 MPa，此时表面小部分区域主拉应力超过极限拉应力3.3 MPa。故按此方法进行施工，仍不可避免产生温度裂缝。

(3)二次灌注成型，设冷却管

采用二次灌注成型，设冷却管时最高温度模拟计算结果分别见图2和图3。由结果可看出，冷却管对混凝土施工降温效果明显，第一次灌注混凝土内部最高温度Tmax＝38.3℃，内外温差ΔT＝18.3℃；第二次灌注混凝土内部最高温度为Tmax＝35.1℃，内外温差ΔT＝15.1。两次浇筑内外温差均低于20℃，表明控制效果显著，符合规范温度差限制要求。

图2 第一次灌注最高温度分布

图3 第二次灌注最高温度分布

采用布设冷凝管的二次灌注成型法施工时，最大主拉应力情况分别如图4和图5所示。第一次灌注时，除个别角点应力集中，主拉应力峰值达到2.1 MPa外，其余部位主拉应力均低于1.1 MPa。计算没有考虑普通钢筋的作用，混凝土实际主拉应力要低于计算值。第二次灌注时，主拉应力峰值仅为1.8 MPa，远低于混凝土抗拉强度限值3.3 MPa，梁体不会产生开裂。故本工程选用二次灌注成型，设置冷凝管法施工。

图4 第一次灌注最大主拉应力分布

图5 第二次灌注最大主拉应力分布

5 水化热控制措施

5.1 混凝土浇筑

根据有限元分析结果可知，大体积0＃段在施工过程中水化热反应较显著，构件内外温差过大易导致温度裂缝的产生。为了避免可能出现的各种裂缝病害，消除水化热可能带来的不利影响，结合有限元分析结果，采用分层浇筑、布设冷却管的方法进行0＃段浇筑施工可以有效降低混凝土内部水化热温升值。

合理分配第一层和第二层的混凝土浇筑量，减小第二次混凝土浇筑量，可减小构件因水化热引起的内外温差[10]。浇筑时布设冷却管，通过循环冷却水带走混凝土内部热量，降低因水化热引起的构件内部温升值。

5.2 原材料把控

(1)选用低热水泥进行施工。水泥的水化反应是产生水化热的主要来源，在进行混凝土配比设计时，应在满足施工需求的前提下，优先选用低热水泥。

(2)优化混凝土骨料级配配比，降低胶凝材料用量，尽可能选用大骨料，保证混凝土强度的同时降低胶凝材料产生的水化热。可适当掺加粉煤灰等掺合料，既可以提高混凝土的和易性和强度，同时还可以改善混凝土的水化热效应[11－12]。

5.3 混凝土养护

防止大体积混凝土因水化热反应发生开裂，施工期间对混凝土构件的养护也是重要环节。混凝土终凝后可以在混凝土构件表面覆盖保温材料，防止混凝土构件因表面散热速率较大而导致内外温差过大，从而避免出现深层裂纹和表面裂纹[13]。

6 结束语

采用有限元软件MIDAS FEA对巴河特大桥主桥长大0＃段进行水化热温度效应仿真模拟分析，结果表明大体积混凝土易因水化热引起的温度应力大于混凝土主拉应力而产生开裂。因此在实际工程中，应对大体积混凝土构件内外温差进行严格控制，可通过设置冷凝管、分层浇筑等措施降低混凝土内部因水化热反应引起的温度升高，减少内外温差，防止出现温度裂缝。