杜春偉

摘要 大體積混凝土在施工過程中容易受到溫度應力的影響而產生裂縫，嚴重影響橋梁的安全性和耐久性。為了進一步掌握不同因素對大體積混凝土溫度應力的影響規(guī)律，文章通過建立承臺數值模型研究了冷卻水管間距、通水溫度、混凝土澆筑溫度以及冷卻水流速對大體積混凝土內部溫度應力的影響規(guī)律。研究結果表明：混凝土內部溫度應力隨著通水溫度與澆筑溫度間差距的增大而增大，冷卻水溫與澆筑溫度相近時最佳；混凝土內部溫度應力隨著冷卻管布置間距的減小而減小，其中1.5 m間距和1 m間距的溫度應力值相近，且都遠小于3 m間距時的溫度應力，綜合考慮鋪設成本和混凝土內部的溫度應力，冷卻管間距為1.5 m時最佳；冷卻水流速對混凝土內部溫度應力影響較小，在實際工程中參考冷卻管管徑選擇合適的冷卻水流速即可。

關鍵詞 大體積混凝土；橋梁基礎；溫度應力；數值模型；冷卻水管

中圖分類號 TU755.7文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）08-0101-03

0 引言

隨著我國基礎建設的快速發(fā)展，大體積混凝土在橋梁基礎工程中的應用越來越廣泛[1-2]。大體積混凝土在澆筑過程中，水泥的水化反應會釋放出大量的熱量，使混凝土內部溫度快速升高[3]。由于混凝土自身傳熱性較差，而外表面散熱較快，使其內部溫度較高，外部溫度較低，形成較大的內外溫差，導致大體積混凝土產生了較大的溫度應力[4]。一旦溫度應力過大，超過了混凝土的抗裂能力，混凝土就會產生裂縫，影響工程質量和安全。在實際工程中，通常以鋪設冷卻水管的方式來降低大體積混凝土內部溫度，從而控制混凝土內部溫度應力。譚海苗等[5]分析了大體積混凝土溫度應力受冷卻措施和冷卻水溫的影響程度，對冷卻措施進行了優(yōu)化。趙一博[6]分析了大體積混凝土溫度場受外界氣溫環(huán)境的影響規(guī)律，對工程施工養(yǎng)護方案進行了優(yōu)化。

基于此，為了進一步掌握不同因素對大體積混凝土溫度應力的影響規(guī)律，通過建立承臺數值模型研究了冷卻水管間距、通水溫度、混凝土澆筑溫度以及冷卻水流速對大體積混凝土內部溫度應力的影響規(guī)律，為類似項目提供了指導和借鑒。

1 工程概況

某大橋為雙索雙塔斜拉橋，索塔基礎形式為鉆孔灌注樁+承臺，所用混凝土等級為C40。承臺混凝土總方量為6 094 m3，長、寬、厚分別為54.6 m、18.4 m和6 m，為大體積混凝土工程。施工承臺時共分2次澆筑，每次澆筑厚度為3 m。為避免分層澆筑基礎時的時間間隔過長，對基礎形成較大的約束，設置每層澆筑間隔為7 d。大體積混凝土在澆筑時會釋放大量熱量，產生較大的內外溫，因此在工程中通常設置冷卻水管來降低混凝土內部溫度，抑制裂縫的形成。因為基礎承臺由2次澆筑而成，故鋪設2層冷卻水管，每層冷卻水管和起始澆筑面的距離均為0.4 m。

2 大體積混凝土承臺數值模型

通過冷卻水管降低大體積混凝土澆筑時的內部溫度時，冷卻水管布置間距、冷卻水通水溫度、冷卻水流速均會影響冷卻管溫控效果，從而改變混凝土內部的溫度應力。此次通過建立承臺數值模型，分析上述因素對大體積承臺澆筑時內部溫度應力的影響程度。

2.1 模型的建立

由于承臺結構對稱且2次澆筑厚度一致，因此僅構建承臺1/2的數值模型，并只對第一層澆筑混凝土內部溫度場進行模擬。分別采用SLIOD單元和FLUID116單元模擬工程所用混凝土和冷卻管，模型節(jié)點共有9 788個，實體單元共有8 632個，如圖1所示為模型示意圖。

2.2 參數和邊界條件

為了便于分析不同因素對大橋基礎承臺溫度應力的影響，設置所用混凝土、冷卻管、冷卻水的相關參數如表1所示，3 m/s和15 ℃分別為風速和環(huán)境溫度。模擬時根據熱傳導方程計算混凝土溫度場，其初始條件為混凝土內部初步釋放熱量，同時溫度在瞬間傳遞時分布情況，具體可通過式（1）表示：

T（x，y，z）T（x，y，z）=T0（x，y，z）=a （1）

式中，a——一常數。

由于實際工程中大體積混凝土內部溫度會受到多方面因素的影響，導致溫度場模擬時的邊界條件難以確定。朱伯芳[7]對上述情況可能存在的邊界條件進行了分析和歸類，共得出4種邊界類型，在此次模擬中，承臺四周和頂部均與空氣直接接觸，且施工方式為分層澆筑，為第3種邊界類型，具體表示方式如式（2）所示：

（2）

式中，n——計算面的外法線方向；β——混凝土表面放熱系數。

3 分析模擬結果

3.1 冷卻管通水溫度的影響

冷卻水管間距、混凝土澆筑溫度和冷卻水流速分別設為1.5 m、15 ℃和0.1 m/s，模擬計算大體積混凝土冷卻水在19 ℃、15 ℃、11 ℃和7 ℃通水溫度下的溫度應力場，如圖2所示為不同通水溫度下第一層澆筑時混凝土應力場中第一主應力變化曲線。從圖2中能夠發(fā)現，通水溫度不同時，混凝土第一主應力的大小也有所不同，隨著通水時間的增長，均表現為先快速增大，后逐漸保持穩(wěn)定的趨勢，且通水溫度越低，混凝土內部的溫度應力也越大，通水溫度與澆筑溫度差距越小，混凝土內部溫度應力就越小。這是由于在通水初期，冷卻水溫度與混凝土內部溫度相差大，形成了較大的溫度應力，當持續(xù)通水一段時間后，冷卻水與混凝土發(fā)生熱量交換，兩者溫差逐漸減小，所產生的溫度應力也逐漸保持不變。對通水冷卻后混凝土內部最高溫度進行計算，結果如表2所示。

從表2中能夠發(fā)現，混凝土內部溫度峰值在每降低4 ℃冷卻水溫時約降低1.22 ℃，這說明能夠通過降低冷卻水溫的方式來控制混凝土內部溫度，但控制效果一般。結合以上分析，若僅通過持續(xù)降低冷卻水溫度來控制混凝土內部溫度，則會造成較大的溫度應力，使混凝土內部產生溫度裂縫，影響承臺整體質量，所以綜合考慮后冷卻水溫與澆筑溫度相近時最佳。

3.2 冷卻水管布置間距的影響

冷卻水流速、冷卻水通水溫度、混凝土澆筑溫度分別設為0.1 m/s、15 ℃和15 ℃，對冷卻管不同水平間距（3 m、1.5 m和1 m）下第一澆筑層內第一主應力進行計算，具體結果如圖3所示。從圖3中能夠得出，冷卻管鋪設間距對混凝土內部溫度應力影響較大，混凝土內部溫度應力隨著冷卻管布置間距的減小而減小。其中1.5 m間距和1 m間距的溫度應力值相近，同時都遠小于3 m間距時的溫度應力，綜合考慮鋪設成本和混凝土內部的溫度應力，冷卻管間距為1.5 m時最佳。

3.3 冷卻水流速的影響

冷卻水管間距、混凝土澆筑溫度和冷卻水通水溫度分別設置為1.5 m、15 ℃和15 ℃，對冷卻管中冷卻水不同流速（0.3、0.2和0.1 m/s）下第一澆筑層內的第一主應力進行計算，具體結果如圖4所示。從圖4中能夠得出，3種冷卻水流速下混凝土內部溫度應力變化趨勢和大小相差較小，這表示冷卻水流速對混凝土內部溫度應力影響較小，在實際工程中參考冷卻管管徑選擇合適的冷卻水流速即可。

3.4 混凝土澆筑溫度的影響

冷卻水管間距、冷卻水流速和冷卻水通水溫度分別設置為1.5 m、0.1 m/s和15 ℃，對不同混凝土澆筑溫度（12、15和18 ℃）下第一澆筑層內的第一主應力進行計算，具體結果如圖5所示。從圖5中能夠得出，隨著澆筑溫度的提高，承臺混凝土內部溫度應力也隨之增大，澆筑溫度越大，初始能量和內部的熱量就越高，加大了混凝土內外溫度的溫差，導致溫度應力增大。同時能夠發(fā)現，混凝土內部拉應力峰值發(fā)生的時間會因澆筑溫度的增大而提前，澆筑溫度每增大10 ℃，拉應力峰值發(fā)生的時間就會提前一天。而在混凝土澆筑過程中，其強度隨著時間的增長而提高，澆筑溫度增大而導致的混凝土溫度應力峰值提前會對混凝土質量造成負面影響，因此在澆筑混凝土時要結合施工條件和環(huán)境溫度選擇合適的澆筑溫度。

4 結論

大體積混凝土內部溫度應力對混凝土的整體質量影響較大，通過建立承臺數值模型研究了不同因素對大體積混凝土內部溫度應力的影響程度，主要得出以下結論：

（1）通水溫度不同對混凝土內部的溫度應力影響較大，通水溫度與澆筑溫度差距越大，混凝土內部溫度應力也越大，因此無法通過持續(xù)降低冷卻水溫的方式來控制混凝土內部溫度，綜合考慮后冷卻水溫與澆筑溫度相近時最佳。

（2）冷卻管鋪設間距對混凝土內部溫度應力影響較大，混凝土內部溫度應力隨著冷卻管布置間距的減小而減小。其中1.5 m間距和1 m間距的溫度應力值相近，同時都遠小于3 m間距時的溫度應力，綜合考慮鋪設成本和混凝土內部的溫度應力，冷卻管間距為1.5 m時最佳。

（3）冷卻水流速對混凝土內部溫度應力影響較小，在實際工程中參考冷卻管管徑選擇合適的冷卻水流速即可；隨著澆筑溫度的提高，承臺混凝土內部溫度應力也隨之增大，且混凝土內部拉應力峰值發(fā)生的時間會因澆筑溫度的增大而提前，因此在澆筑混凝土時要結合施工條件和環(huán)境溫度選擇合適的澆筑溫度。

參考文獻

[1]鄭傳廠， 蔣清吉. 基于碼頭大體積混凝土冷卻水管的控裂效果研究[J]. 中國水運， 2018（9）： 135-136+171.

[2]陳聰， 孫冬， 楊春峰， 等. 低溫條件下大體積混凝土溫控與防裂措施[J]. 水泥工程， 2023（3）： 91-94.

[3]賀羅， 李雄飛， 唐斌峰. 橋梁施工中大體積混凝土裂縫成因及處理對策[J]. 公路， 2019（9）： 98-101.

[4]王修山， 侯寧. 水管冷卻對大體積混凝土溫度應力的影響研究[J]. 混凝土與水泥制品， 2019（8）： 15-18.

[5]譚海苗， 劉陽. 冷卻水溫對大體積混凝土溫度應力的影響[J]. 吉林水利， 2023（9）： 46-49+65.

[6]趙一博. 氣溫驟降對大體積混凝土溫度場的影響研究[D]. 西安：西安建筑科技大學， 2023.

[7]朱伯芳. 考慮外界溫度影響的水管冷卻等效熱傳導方程[J]. 水利學報， 2003（3）： 49-54.