1、第 卷第期 年月中 国 科 技 论 文 拱座大体积混凝土水化热及温控措施胡立飞，辛景舟，张兰，朱瑾宇，杨俊，周建庭（重庆交通大学土木工程学院，重庆 ）摘要：为厘清拱座大体积混凝土浇筑过程中水化热温度及应力的主要影响因素，提出合理有效的温控措施，以贵州某拱桥拱座施工为背景，采用有限元软件 建立仿真模型，将仿真计算结果与实测温度进行对比，并分析配合比、入模温度、环境温度以及冷却水流量、水温、通水时间等参数对混凝土温度场及应力的影响。结果表明：入模温度每增加，内部峰值温度升高约，核心点最大拉应力增加约 ；环境温度每降低，混凝土表面峰值温度降低约；当冷却水流量超过 时，提高冷却水流量对温度场影响不明显
2、；冷却水温与通水时间主要影响混凝土降温速率。关键词：拱座；大体积混凝土；水化热；温控；有限元法中图分类号：文献标志码：文章编号：（）开放科学（资源服务）标识码（）：，（，）：，：；收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）；广西重点研发计划项目（桂科 ）；重庆市教育委员会“成渝地区双城经济圈建设”科技创新项目（）第一作者：胡立飞（），男，硕士研究生，主要研究方向为大跨拱桥建造与监测维护通信作者：辛景舟，副教授，主要研究方向为大跨拱桥智能监测，混凝土在浇筑过程中会产生大量水化热，在结构内部形成较大温度梯度，若不能对其进行有效控制，温度应力将导致混凝土开裂，对结构的安全性和耐久性产生不利影响
3、。拱座作为拱桥中受力复杂的结构，必须保证其强度与耐久性，因此，拱座大体积混凝土温度控制至关重要。目前常用的大体积混凝土温控措施包括分层施工、布置管冷系统、控制入模温度等。如何合理有效地应用这些措施，防止混凝土开裂，是大体积混凝土施工的重点及难点。杨彦鑫等研究了承台浇筑过程中内部温度场分布规律，并提出了减小内表温峰时间差的方法；魏剑峰等分析了冷却管布置参数对水化热效应的影响；陈昌哲等提出了适用于各个季节的冷却管布置方案；王祥国等分析了不同管冷参数对混凝土内部降温效果的影响；贺云等分析了不同冷却水温下的混凝土内部温度和应力；占玉林等 分析了不同冷却水质量流速的降温效果；魏剑峰 基于承台混凝土施工，
4、提出了大体积混凝土养护及防裂措施。当前，关于承台水化热的研究较多，针对拱座水化热的研究较少，且少有研究对混凝土应力进行分析。拱座竖向尺寸往往更大，施工分层数量多，单层浇筑厚度大，温控难度大。对影响拱座大体积混凝土温度及应力的各关键参数进行系统分析，从而提 出 合 理 有 效 的 温 控 措 施，有 待 进 一 步 系 统研究。本文以某拱桥拱座大体积混凝土施工为背景，采用有限元软件 对其水化热全过程进行仿真模拟，将仿真分析结果与实测温度进行对比。并对拱座大体积混凝土水化热温度及应力的主要影响因素进行模拟分析，基于分析结果，对其温度控制提出针对性的措施。第期胡立飞，等：拱座大体积混凝土水化热及温控
5、措施工程概况贵州省某钢管混凝土拱桥为变截面桁架拱，计算跨径为 ，拱座为钢筋混凝土整体式结构，采用 混凝土，总方量为 。施工分为个阶段：第阶段为拱座大体积混凝土部分，基坑开挖完成后浇筑；第阶段为拱脚预埋部分，拱脚预埋件安装完成后浇筑；第阶段为封铰混凝土，拱肋合龙后浇筑。第一阶段分层浇筑，第层浇筑厚度均为，第层浇筑厚度为。拱座和混凝土浇筑顺序分别如图和图所示。图拱座立体示意图 图拱座混凝土浇筑顺序 为控制拱座混凝土内部温度，防止混凝土开裂，在内部布置冷却水循环系统。冷却管分层交错布置，层间距为，第一层冷却管距底部，水平间距为，冷却管距混凝土边缘。为实时监测混凝土温度变化，选择浇筑平面的区域布置温度
6、传感器。第层传感器布置在相邻层冷却管中间，第层传感器布置于第层冷却管与混凝土顶面中间，每层布置 共个测点。冷却管与温度传感器布置如图所示。基于实测数据的数值仿真有效性验证 有限元模型的建立拱座第阶段第次浇筑混凝土层高为，单次浇筑厚度最大，选取该层混凝土进行水化热仿真图冷却管与温度传感器布置 分析。该层混凝土浇筑时间为冬季，环境温度为，入模温度为 ，冷却水流量为，水温为 ，通水。采用有限元软件 建立拱座水化热模型，如图所示。模型中，混凝土采用实体单元模拟，共有 个节点、个单元。混凝土泊松比为，线膨胀系数为，容重为 ，比热为 （），热传导率为 （）。模型底面采用固定约束，并考虑顶面、侧面与环境的对
7、流边界及下层混凝土的恒温边界。图拱座有限元模型 数值仿真有效性验证由于温度测点较多，限于篇幅，选取第 层测点，对比分析仿真计算结果与实测结果。根据有限元仿真分析结果及实测数据绘制温度时程曲线，如图所示。由图可知，拱座混凝土温度先后经历了快速上升、快速下降、缓慢下降个阶段。在浇筑完成初期，由于水化反应放热，温度迅速上升，约 后达到最大值。达到温度峰值后，由于水化作用减弱，混凝土在内部冷却管和边界热交换作用下，温度迅速下降。停止通水后，混凝土与外界热量交换减弱，降温趋于平缓。由于表面混凝土与外界的热交换作用较强，表面比内部更早达到温度峰值，且其温度峰值较低。中 国 科 技 论 文第 卷图第层测点计
8、算值与实测值对比 拱座实测温度峰值出现在混凝土浇筑后的第，最高温度为 ；对应的计算值为，最高温度为 ，实测温度峰值及达到时间、分布位置基本一致。由于混凝土表面温度容易受到现场环境的影响，实测结果与仿真计算结果有一定的差值，除此之外，现场实测温度与仿真模拟结果吻合较好，变化规律一致，仿真模型较好地模拟了水化热历程。参数敏感性分析 配合比大体积混凝土配合比设计在满足强度和耐久性要求的前提下，还应满足水化热低、体积稳定性好、工作性能好等要求。为分析配合比对混凝土水化热的影响，进行了种试配，并计算其绝热温升，结果见表。其中，、配合比中粉煤灰掺量均为，配合比水泥用量较配合比多 ，绝热温升提高了 ，可见水
9、泥用量对绝热温升影响显著。在粉煤灰掺量相等的情况下，水泥用量每增加，混凝土绝热温升增加约 ，基本呈线性关 系。配 合 比 水 泥 用量 较配 合 比 多，粉煤灰掺量多，绝热温升一致，可见粉煤灰可以有效降低峰值温度。表配合比 编号水泥 粉煤灰 细集料 粗集料 水 外加剂 粉煤灰掺量绝热温升 大体积混凝土的热量主要来自水化作用过程中释放的能量，在满足强度及耐久性要求的前提下，减少水泥用量可以有效控制水化热温度。粉煤灰早期活性低，在水化反应初期能降低水化放热速率，减少水化热，采用粉煤灰替代部分水泥，可有效降低温度峰值。入模温度入模温度对混凝土内部温度峰值影响显著，大体积混凝土施工应严格控制入模温度。
10、实测入模温度为，参考文献 ，按 为梯度，设置、这种工况，分析不同入模温度对混凝土水化热温度及应力的影响。限于篇幅，仅列出核心点在不同入模温度下的温度时程曲线，如图所示。图不同入模温度下测点的温度时程曲线 由图可知：在水化反应初期，入模温度越高，混凝土升温速率越快，混凝土内部温度峰值越高；入模温度为、时，测点分别在浇筑完成、后达到温度峰值，峰值温度分别为 、，该点最大拉应力分别为 、；入模温度每增加，混凝土内部达到峰值温度的时间提前约，峰值温度升高约 ，最大拉应力增加约 ；在降温阶段，入模温度越高，混凝土与冷却水之间温差越大，混凝土内部降温速率越快；在冷却管停止通水后，混凝土降温速率趋于相同，各
11、温度曲线接近平行，相邻条曲线差值约为 。在混凝 土 拌 和 前，对 原 材 料 进 行 预 冷，提 前 存 储 水泥，冷水 喷 淋 骨 料，可 以 有 效 降 低 混 凝 土 入 模温度。环境温度环境温度是形成混凝土温度梯度、导致其早期开裂的重要原因，是大体积混凝土温度控制的重要参数。最 低 环 境 温 度 为 ，参 考 文 献 ，按 为梯度，设置、这种工况，分析不同环境温度对混凝土水化热温度及应力的影响。由于环境温度变化，混凝土内部温度基本不变，故选取表面点 进行分析，其温度时程曲线如图所示。第期胡立飞，等：拱座大体积混凝土水化热及温控措施图不同环境温度下测点的温度时程曲线 由图可知：环境温
12、度为时，测点 峰值温度为 ；环境温度为 时，测点峰值温度为 ；环境温度每升高，表面测点峰值温度升高约，而核心点温度峰值保持不变。当环境温度为、时，测点 最 大 拉 应 力 分 别 为 、。环境温度越低，内表温差越大，表面点拉应力越大，因此，冬季混凝土施工应注意采取保温措施。混凝土浇筑完成后，在表面覆盖土工布保温，并应合理安排拆模时间，保证混凝土表面与环境温差不超过，防止混凝土表面开裂。冷却水流量冷却管因降温效果明显、可控性强而被广泛采用，冷却水流量主要影响对流传热效率，从而影响混凝土内部温度场。考虑冷却水流量为、这种工况，分析不同冷却水流量对混凝土水化热温度及应力的影响。不同冷却水流量下测点的
13、温度时程曲线如图所示。图不同冷却水流量下测点的温度时程曲线 由图可知：在升温阶段，提高冷却水流量对混凝土内部温度无明显影响，冷却水流量主要影响内部温度峰值和降温速率；冷却水流量由 提高到 时，流量每提高，测点的峰值温度分别降低 、，该点最大拉应力分别减小 、。在降温 阶 段，当 冷 却 水 流 量 由 提 高 到 时，降温速率提高较明显；流量由 提高到 时，条温度曲线十分接近，提高流量对降温速率影响不大。这是由于水流速越大，冷却水与混凝土热交换时间越短，单位冷却水带走的热量减少，从而导致降温效率降低。大体积混凝土温控过程中，应根据实际温度场变化调节冷却水流量。在混凝土水化热反应初期，通过大流量
14、降温来降低峰值温度；在降温阶段，逐渐降低冷却水流量，以控制混凝土内部降温速率。在混凝土内部最高温度与环境温度差值不大于 时，停止通水，以免造成较大的收缩应力。冷却水温冷却水温显著影响冷却水与混凝土之间的热量交换，是控制混凝土峰值温度和降温速率的重要参数。考虑冷却水温为、这种工况，分析不同水温对混凝土水化热温度及应力的影响。不同冷 却 水 温 下 测 点 的 温 度 时 程 曲 线 如 图 所示。图不同冷却水温下测点的温度时程曲线 由图可知：冷却水温对内部峰值温度和降温速率影响较大；当入水温度为、时，测点 的 峰 值 温 度 分 别 为 、，该点最大拉应力分别为 、；测点峰值温度随入水温度的升高
15、而明显升高，而其最大拉应力逐渐降低；入水温度每降低，测点的峰值温度降低约，基本呈线性变化；随着冷却水温的降低，混凝土达到峰值温度的时间越早，降温速率越快，但水温过低会造成冷却管附近的混凝土温度梯度过大，从而产生较大的拉应力，当超过混凝土抗拉强度时就会开裂。拱座大体积混凝土温控过程中，冷却水温度保持在环境温度左右即可达到良好的降温效果，不必过多地降低冷却水温。冷却水通水时间布置冷却管将显著降低混凝土内部温度，且通水时间会影响混凝土降温速率。考虑通水时间为、这种工况，分析不同冷却水通水时间对混凝土水化热温度及应力的影响。不同冷却水通水时间下测点的温度时程曲线如图 所示。由图 可知，通水时间为、时，
16、停止通水 时 测 点 的 温 度 分 别 为 、；通水时间每延长，中 国 科 技 论 文第 卷图 不同冷却水通水时间下测点的温度时程曲线 停止通水时点温度分别降低 、，随着通水时间的延长，冷却水对混凝土内部降温速率的影响逐渐减小。通水时间为、时，测点 的最大拉应力为；通水时间为、时，其最大拉应力分别为 、。混凝土达到峰值温度后，应根据实际温度场变化确定通水时间，以满足降温速率不超过的规定。目前，大体积混凝土冷却水降温的周期通常为，实际温控过程中，应根据混凝土体积、配合比、环境温度等进行调整，从而避免混凝土开裂。结论）入模温度对混凝土内部峰值温度影响显著，入模温度每增加，混凝土核心点峰值温度升高约，最大拉应力增加约 ，夏季大体积混凝土施工应严格控制入模温度。）环境温度降低，混凝土内部达到峰值温度的时间缩短，内表温差增大，混凝土表面拉应力增大。环境温度每降低，表面峰值温度降低约，冬季混凝土施工应采取有效的保温措施。）布置冷却管可显著降低混凝土峰值温度，提高降 温 速 率，减 小 内 部 拉 应 力，但 当 流 量 超 过 时，提高冷却水流量对混凝土温度场影响不明显。在降温阶段，应根据实际温