承台大体积混凝土温度效应研究
关键词：斜拉桥,承台,温度效应 ,仿真计算
1. 工程概况
九江长江大桥南塔承台采用两个边长为22.5m×22.5m×8m分离式承台。每个承台下设14根直径2.8m，长80.4m桩基。单个承台工程数量分别为： HRB335级钢筋302008.4Kg ，混凝土方量3555.09m3，属典型大体积混凝土承台。承台施工采用钻孔桩加摆喷桩围护结构进行支护，基坑开挖后，分两次进行浇筑混凝土，每次浇筑高度为4m。
承台混凝土施工按大体积混凝土温控方案进行控制施工，该承台施工的难点有：(1)冬季施工，外界气温较低，混凝土表层散热较快，内外温差难以控制。(2)混凝土体积较大，内层混凝土降温缓慢，混凝土水化热较高。(3)由于内外温差较大引起的温度应力问题导致混凝土开裂。为了保证承台混凝土施工浇筑期的安全性，合理制定温控措施，要对承台混凝土进行施工期的仿真计算，得出当前工况下混凝土的温度场应力场分布特点，同时将计算结果与实测值进行对比，得出合理的施工方案及温控措施。
2. 承台混凝土施工方案介绍
承台混凝土分两次浇注，每次浇筑4米，施工时间间隔15天，混凝土初凝时间按不小于50小时设计。第二次浇筑时应对上次浇注混凝土顶面进行凿毛处理，并用清水清理干净，使得新老混凝土更好结合。混凝土拌合严格按施工配合比配料，砂、石、水泥、水及外加剂等原材料必须经过质量检验并符合要求，计量要准确，保证混凝土拌合时间。
承台浇注时采用薄层浇注，控制混凝土在浇注过程中均匀上升，避免拌和物堆积过大高差，混凝土的分层厚度控制在30cm，机械震捣，采用阶梯式分层方法，确保层间间隔时间t≤4小时。浇注顺序由两端开始，逐步向中间浇注。为避免形成接缝，浇筑上层时插入式振捣器伸入到下层10cm，插入式振捣棒的移动间距不得大于振捣棒的作用直径。振捣时采取快插慢拔的方式，插入和拔出必须保持振捣棒的垂直，振捣时间以混凝土表面泛浆为好。第二次浇注时，在侧模振捣孔处进行振捣。
承台混凝土采用保湿蓄热法养护，即在承台表面覆盖帆布或草袋，用冷却管流出的水进行养护，养护时间不低于14d。经常浇水，保持混凝土表面湿润。冷却水管采用的是洁净的长江水。砼养护和冷却水循环24h监控，监控期限以大体积砼体内外温差不大于250C且通水时间不小于15d为止。通过调节冷却水管进出水流量和流速，可有效地提高混凝土内部降温效率，控制温差，缩短混凝土养护时间。
3. 承台混凝土温度场仿真计算
应用大型通用有限元计算软件对承台混凝土进行温度有限元仿真计算。计算模拟根据施工阶段过程划分为2个工况：第一工况浇筑4米高度的混凝土，混凝土周围为土体，可取固定温度;第二工况浇筑高度4米，其中下面2m范围与土体接触，上面2m与外界相通。此外，为减少建模划分网格数量，第二工况上层混凝土2米高度部分由倾斜渐变修整为竖直等截面，此差异对整体计算结果影响很小，可以忽略不计。图2为温度场有限元计算模型。
计算参数选择如下：混凝土底面和周边与基坑支护结构接触取周围土体固定温度10oC;根据热工计算，承台侧面放热系数：β=6.6 kcal/m2 h oC=27.59 kJ/m2.h. oC;混凝土分层浇筑时，层间结合面和承台顶面采用蓄水和草袋覆盖进行保温养护，则放热系数β=3.8 kcal/m2.h. oC=15.88 kJ/m2.h. oC。混凝土标号为C35;泊松比u=1/6;密度ρ=2438kg/m3;28天弹性模量为3.15×104MPa。
结果分析可知：混凝土浇筑初期升温迅速，约在75h时达到温度峰值，整个温度高峰期约30-40h，第一层混凝土温度约在浇筑后100小时候开始有明显的下降，但下降速率缓慢，直至浇筑20天后，开始浇筑第二层混凝土，第二层混凝土与第一层混凝土相近，约75h达到温度最大值49.1 ºC，约20h后开始降温，中心层降温缓慢外层混凝土降温较快。结合面上节点在第二阶段混凝土开始浇筑后混凝土的温度有所上升，峰值甚至高过第一阶段混凝土的升温。
图3和图4分别为承台在t=75h和t=575h的温度场分布云图。
4. 温控参数分析
管冷的基本数据：水的比热=1Kcal g/kgf [ºc]，容重=1000kgf/ ,;流入温度15ºC，流量1.8 /hr,管径0.032m,对流系数80kcal/ hr [ºC]，管距1m。
管冷的影响因素有管厚，管距，管径，冷却水温，冷却水的流量，水流方向。
以下考虑管距与管径对于冷却效果的影响，因为管距和管径直接影响了材料的消耗，考虑的是其经济性的原则。
取管径为0.032m、0.048m、0.064m进行计算，三种管径下温度变化不大，对实际温度控制的意义不大，即使管径增大一倍，即用钢量增大四倍温度仅仅降低2度左右，效果并不明显所以混凝土的管径取0.032足以满足温控的要求。
经过计算管距1.0m时的温度较管距2.0m的温度平均要低6|-7度，而用钢量仅多出一倍，冷却效果明显，经济性较增加管径良好，因此对于大体积混凝土的浇筑，布置冷却水管时为达到良好的降温效果，再考虑经济的同时，可以采取减小管距的做法，但管距不宜过小，否则会由于冷却水管布置过密而影响混凝土的浇筑质量，直接影响到结构的承载能力。
5. 温度测试及结果分析
为验证温度场理论计算结果，对南塔承台进行温度场测点布置。由于承台分上下两层浇筑,每层布置7个温度测点，测点布置图见图4。取四分之一结构，测点1埋设于试块的平面中心位置预计应该是温度峰值点，测点2,3,4号按半圆弧型布置在1号测点周围，最外围是5，6号测点，测点共分上下两层。
南塔承台第一层浇筑于2010年12月3日凌晨开始至2010年12月4日7点，第二层混凝土于2010年12月14日凌晨开始浇筑于12月25日7点结束。上下两层的间隔时间为10天左右，由于是冬季施工气温一直较低，并且在12月24日有降雪，气温骤降至零下-3摄氏度。在混凝土浇筑前安装好测点元件，与12月2日23点左右开始读数，承台下层混凝土于12月3日0:30分开始浇筑，大约在当日早上8时左右开始接触测点，第一层混凝土浇筑于4日早7时结束，一共经历了30小时的浇筑时间。
实测数据与计算值的对比：
结果分析:
第一层混凝土浇筑较早，中心测点在65h时达到温度最大值，计算值约比实测值晚10h到达最大值，不论从上升段还是下降段曲线，计算值与实测值都基本吻合，且大部分测点的温度实测终值要高于计算的所得的温度值，内部测点的实测值与计算值较外部测点的精度更高，这是由于内部测点受环境变化及边界条件的影响较小，与计算值吻合较好，外部测点受环境变化及边界条件的影响较大，在计算中易于产生一定的误差。计算值与实测值存在误差的原因，主要为：
(1)冷却水取至长江水水温由当时气温决定并非恒定，因此在计算时所设参数为定值本身与实际情况有差别，
(2)并且混凝土本身性质复杂，掺合料的添加也影响了混凝土的性质，在计算时计算参数不能完全表现当时混凝土的真实热学性能，
(3)浇筑后上层表面在浇筑完成后进行蓄水养护，蓄水养护时的水温等环境条件也并非恒定，对流边界的计算参数和实际值的误差是无法避免的。
(4)周围土体取固定温度，按照第二类边界条件计算本身也存在误差，同时计算时单元划分越细，在此类边界条件下的计算值要越精。
6.承台温度控制建议
通过对实际工程中现场承台混凝土实测数据与计算值的比较分析，以及大体积混凝土浇筑施工的温度控制经验，提出南索塔承台施工实用措施的建议，具体措施如下:
(1)为了降低混凝土的绝热温升、温度峰值与内外混凝土的最大温差，应尽可能的选用低热水泥。
(2)掺入外加剂，如缓凝剂、减水剂或膨胀剂。
(3)降低混凝土的浇筑入模温度，这也就降低了混凝土内部最高升温和内外温差。其中实用措施包括:做好原材料的降温工作，减小运输距离，拌和水的温度要低，同时做好运输和浇筑过程中的保温工作。
(4)根据承台的仿真计算结果，承台混凝土可以分两次浇筑，每次浇筑高度为4米，间隔为20天。在第二层混凝土浇筑前，要将老混凝土表面凿粗糙，使得新老混凝土结合紧密，易于施工。
(5)冷却水管可以按照上下层相互垂直排布，每层管冷按1米间距布置，上下层管冷相距1米，但最下一层管冷通水时间可以较晚并且可以较早结束通水，冷却水的通水方向宜每12h转变一次方向，可以使混凝土内部温度分布更加均匀，且通水时间可以按照实测的实时温度加以控制。
(6)当混凝土浇筑完成后，应立即对混凝土表面按要求采取养护措施。措施包括：将混凝土降温速度与内外最大温差控制在温控指标及规范的范围内。应逐步分层进行覆盖保温层的工作、面层混凝土可以采用蓄水养护。当遇到温度骤降或极端天气时，第二层混凝土要做好混凝土表面的保温措施如铺盖棉被保温用帆布覆盖表面防风，以防止因内外温差过大混凝土开裂。
