承台冷却水管布置及施工计算（超大体积承台冬季施工水化热计算与温控措施研究）

李勇颜 宪英中交路桥建设有限公司

摘 要：本文以池州长江公路大桥南岸主墩承台大体积混凝土水化热的温度控制为例，剖析和研究大体积混凝土设计、同时间监测大体积混凝土在施工作业和养护作业时，承台三维空间温度场梯度变化，进行数据采集分析，及时优化调整施工方案，并采取有效的养护办法，科学调控混凝土温度场梯度变动，避免因温度应力导致不必要的裂缝。

关键词：大体积承台;冬季施工;水化热;温控措施;

单维尺寸不小于1m的大体量混凝土构件制作均可称为大体积混凝土施工，桥梁工程中常见的为混凝土承台，表现为在水泥发生水化同时，构件温度急剧变化，产生热能(水化热)过大，而混凝土为惰导热性材料，不利于水化热的均匀传导与耗散，混凝土构件体内因此发生温度变化产生热能过快，同时因为外界温度偏低，在混凝土构件体内发生温度变化，当这种温差变化较大时，混凝土体内就会呈现温度裂缝。

1 概述1.1 基本简介

池州长江公路大桥坐落于芜湖～安庆河长江下游段，桥位处右岸桥台落于池州市境内，左岸桥台落于枞阳县境内。其桥跨布置为3×48m 96m 828m 280m 100m，为钢梁与混凝土梁结合的梁斜拉桥。其中5号主墩承台外形平剖面为圆端形，平剖面尺寸为5950cm×2680cm，承台厚6.5m，圆端半径15.72m，承台顶部有200cm塔座，顶部尺寸为4050cm×1500cm，底部尺寸4450cm×1900cm，如图1所示。

1.2 承台施工方法概述

承台落于大堤压浸台处，施工采用钢板桩围堰支护进行围堰内的基坑开挖，至设计深度后，水下封底并抽水，分层进行承台施工。承台侧方模板用大块订制钢模板，混凝土在后场拌制，利用混凝土罐车走施工便道运送，浇筑利用大悬臂混凝土泵车及人工协同完成。单个承台在高度方向分三次浇筑，初次浇筑1.5m高，第二次浇筑中间2.0m高，最后浇筑剩余3.0m高。塔座浇筑时和塔柱混凝土下部0.5m一次浇筑，根据规范及设计要求采取大体积混凝土温控措施。

图1 5号主墩承台平剖面尺寸示意图 下载原图

1.3 设计资料

承台设计强度标准值为C35钢筋混凝土，通过实验室试验确定混凝土配合比，具体参数见表1，混凝土水化热物理学数据见表2，混凝土温度升高变化根据其水化热现场实验数值结果换算取值。

表1 承台C35混凝土配合比表(kg·m3) 下载原图

表2 5号主墩承台C35混凝土水化热物理学数据表 下载原图

2 冬季施工大体积混凝土温度裂缝原因、温控目的与措施2.1 冬季施工混凝土结构产生温度裂缝的原因分析

构件裂缝主要是由降温时引起的构件收缩应力变化，温度下降差值表现为水化热温差加上收缩当量温度差值，均可分为平均温度下降差值和非均匀温度下降差值;平均降温差因引起外约束，会使混凝土因外约束产生贯穿性裂缝;非均匀降温差因引起自约束，会使混凝土因自约束产生表面裂缝。内部约束应力是由于混凝土水化热引起温度不均匀，引起混凝土膨胀受约束，而引起温度应力，因内外温差影响在水化热初期会引起混凝土表面张拉应力，在水化热后期由于核心混凝土的收缩大于表面而核心处产生张拉应力。当大体积砼收缩超过其表面的极限拉应力时，混凝土会出现裂缝。外部约束应力是由模板、地基表面、桩基和已浇注的混凝土等约束了正在浇注的混凝土的膨胀变形而引起。

2.2 温控目的

大体积混凝土在施工前，应提前对混凝土的温度变化计算，采用计算机模拟温度变化来掌握大体积混凝土体内温度变化趋势情况和温度变化应力发展趋势。但在实际施工过程中采集的数据与模拟计算存在一定的差距，所以要在混凝土施工中做温度监控测量，测量结果需要及时与温度变化计算结果比对，马上调整取值参数、修改计算机数据模型，同时采取相应的温控措施，只通过承台大体积混凝土施工过程中跟踪温度变化监测，并与计算相结合的方法，才能保证模拟计算分析结果的准确性和可靠性，并根据计算分析的结果来进一步完善温控措施，确保温度变化符合规范要求，温度应力不超过混凝土的允许抗拉强度，避免由此而产生的温度裂缝，给承台结构带来危害。

2.3 设计措施

设计冷却水管选取内径为27mm、壁厚2.5mm的焊接钢管制作，选用冷弯工艺加工弯管部分，水管通过螺纹丝扣连接，并保证其紧密无缝隙，冷却水管单根长需小于15000cm。冷却水管路采用上下层反向布置，平面回型布置，水平管之间净距保持1m左右，冷却水管沿长边布置时距离长边边缘0.85m，短边距离边缘1m;冷却水管沿短边布置时距离长边边缘1m;垂直方向分为6层，3.5m层高承台顶底层水管距离边缘0.75m,3m层高承台顶底层水管距离边缘0.5m。沿长边布置的冷却水管进水口和出水口各7个，进水速率为每根水管4m3/h，所有进水口独立安装配备流速计，通过温度测量，及时调整各冷却水管内的水流速和进水温度。

2.4 温度监控措施2.4.1 控制循环水

(1)准备20kw水泵2台，同时需要有1台备用。

(2)冷却水采用深层江水，设置两个容量为5～6m3的水箱在施工平台上，以供冷却水循环，其中一个作为冷却进水用，另一个用做冷却水回收。

(3)利用分水器把各处水管从进水口分流出来，分水器设置与水管等量的独立水阀便于控制各处水管冷却水进水流量;同时设置减压阀，用以控制混凝土水化热产生后期通水速率。

(4)各层焊接钢管内的水流时间在被混凝土覆盖并振捣完成后开始，流水时间和过水流量依据温控技术组的实际测温结果(判断升温期或是降温期、降温速率是否超过温控标准等技术指标)确定。开启最大水流量在混凝土浇筑过程水化热温度顶峰之前完成，最大限度降低混凝土水化热温度;温度峰值过去以后(现场实时测温)，调整通水量速率提防温差变化太快引起混凝土开裂，使温度平稳下降。

2.4.2 温度测点布设

参考《混凝土大坝安全监测技术规范》，同时根据常规桥梁承台大体积砼的特点加以修改调整，由经验丰富且具有埋设技术的专业操控人员操作。为保护测点和导线不受振捣混凝土的影响，用40mm厚木板进行保护，监测元件埋设示意图见图2。

图2 监测元件埋设示意图 下载原图

承台混凝土浇筑体内监测点的布置，应真实反应混凝土内部、表面和环境温度，5号主墩承台温度测点按下列形式布置:

(1)承台为对称结构，布置测点可选取结构物的1/4处;

(2)依据水化热形成的温度场的分布情况，调整测点间距，使温度均衡;

(3)充分考虑温控指标的测评。温度测设布设测点在表面温度测点、内部温度测点。表面温度测点在构件中心长短边中心线表面5cm以下处，内部温度测点在构件中心位置处。

(4)温度测点竖向布置4层，平面布置13个，进出水口2个，环境温度2个，共56个温度测点，通过布设的这些测点可全方位的监控到承台每个温度变化和集中位置。

2.4.3 养护保温措施

混凝土养护包含两个方面:温度和湿度，施工后期的养护过程很大程度决定混凝土的结构表层耐久性和抗裂性，因为水泥只有水化到一定程度才能形成有利于混凝土强度和耐久性的微结构。冬季施工大体积混凝土时为防止承台表面因失水造成的干缩裂缝，采取表3所示的养护方式进行承台养护。

表3 5号主墩承台大体积混凝土冬季养护保温措施表 下载原图

3 承台仿真模拟计算3.1 条件设定

依据承台结构具有对称性，取承台混凝土1/4进行温度应力计算。

(1)承台采用C35混凝土，受桩基和封底混凝土约束，计算时取基础弹模为2.5×104MPa;塔座C40混凝土受承台混凝土约束。

(2)承台混凝土施工日期预设为2016年元月，浇筑温度按12℃计算。

(3)参考气候资料，风速按≥3.7m/s考虑。

(4)采用钢模板施工，其侧面散热和上表面散热系数为1200 k J/(m2·d·)℃。

(5)承台混凝土沿厚度方向布置6层32mm冷却水管，塔座沿厚度方向布置2层。

(6)32mm冷却水管，冷却水管横竖间距均为1m，计算时需考虑冷却水管的影响。

(7)从混凝土浇筑开始计算温度及温度应力值，从而模拟混凝土浇筑后半年的温度应力发展。

3.2 模型计算

5号主墩承台施工时间在上述的设定条件下，混凝土内部最高温度为43.6℃，浇筑后第2～3天出现温度峰值。承台构件内部计算结果见表4。

表4 温度应力场计算结果 下载原图

从表4承台混凝土内部最高温度包络图可见混凝土里部温度越高，混凝土侧面及表面自然散热越慢，混凝土里部高温热量仅依靠表面浇水保湿很难达到降低温度减小热能作用，混凝土里部高温热能主要依靠焊接钢管中流通水作用释放，升温期间加强混凝土内部通冷却水、优化中间部位水管布置，达到快速降温目的;降温期控制冷却水速率、控制降温速率，同时混凝土表面浇水保温。由表4可知，混凝土因为热胀冷缩，当温度升高时，混凝土变形为膨胀变形，且混凝土应力表现为内部压应力，外部拉应力，承台前期(3天)温度应力主要集中表现在上表面;当混凝土温度不再升高，达到峰值过后，混凝土处于降温期，此时混凝土应力表现为内部拉应力，表面压应力，混凝土内部拉应力增大。因此可得出混凝土如果早期出现开裂，大多裂缝较浅，危害性较小;一旦混凝土后期发生开裂，一般为深层裂缝，危害性较大。根据温度应力计算结果，对不同混凝土龄期采取不同的温控要求:承台3天最小抗裂安全系数为1.41，安全系数较小，容易出现裂缝，因此早龄期需保持冷却水的大量不停流动，同时加强上表面及侧面的浇水保湿养护;承台其他龄期的最小抗裂安全系数相对较高，但后期裂缝危害性大，可根据不同工况采取相对应的温控措施，控制内外温差，避免干缩裂缝及有害温度裂缝出现在承台混凝土中，造成危害。

4 监控方式4.1 温度监控过程要求

(1)测量浇筑混凝土温度场:浇筑大体积混凝土过程中，每相隔两小时测一次施工温度;浇筑大体积混凝土完毕后到混凝土水化热升温阶段，每相隔两小时测温一次;混凝土水化热开始降温的第一周，每相隔四小时测温一次，一周后，选取每天气温变化较大时段进行测温，每天测量温度二到四次。

(2)周边环境测温:保持大体积混凝土温度同时测量温度。

(3)浇筑大体积混凝土温度场测量过程与通水冷却过程温度同时观测。

(4)极端恶劣天气情况下，可能遇到寒流或者高温期间，增加相应测量数据。

(5)浇筑大体积混凝土全部完成后，依据应力场和温度场的预估计算数据，结合与监测数据的比对结果分析，最终确认测温终止时间。

(6)承台混凝土里面测量温度值由仪器测量提取，当天提取搜集的数据及时送至计算人员处，由计算人员比对数据，分析最终结果整理成册。

4.2 温度监控内容(表5)

表5 承台施工温度监控主要项目 下载原图

4.3 温度监控异常情况的应对方法(表6)

表6 温度监控异常情况的应对方法 下载原图

4.4 温度监控数据分析及结论

承台施工时，经现场实际温度进行监控，可得如下数据记录及结论。

(1)承台第一层施工时的平均气温为8.5℃，下一层施工时的平均气温为7.9℃，最后一层施工时的平均气温为7.2℃。

(2)承台第一层施工时的平均入模温度为19.0℃，承台下一层施工时的平均入模温度为17.6℃，承台最后一层施工时的平均入模温度为16.8℃。

(3)承台第一层、第二层和第三层施工后大气温度进入冬季施工气温，在冬季施工措施下入模温度基本在16～21℃之间，满足规范5～28℃之间的要求。

(4)承台混凝土内部水化热温度最高值出现在施工后的3天内，内部中心最高温度为第一层52℃，第二层59℃，第三层55℃，满足规范内部最高温不超过75℃的要求。

(5)混凝土内部与表面温度变化曲线基本保持一致，第一、二、三层最高温度分别33℃、36℃、35℃。在混凝土温度变化监测中，初期水循环控制不足，造成温度变化大，第一层内外温差最大为19℃，下一层内外温差最大为23℃，最后一层内外温差最大为24℃，均小于《大体积混凝土施工规范》所规定的25℃。

(6)由第二次监控通水进出口温差图能够看出，冬季施工时通水前加热水温到一定数值，根据混凝土的内部温度监控及时调整冷却水的速度和温度，控制钢管内通水的进出口水温度，最后得出总体温差值也偏小。

5 结语

通过对池州长江公路大桥5号主墩承台水化热监控与分析，承台各部位混凝土浇筑后均没有出现明显裂缝，外观质量达到设计要求，可以得出温度控制措施可以满足施工要求。混凝土浇筑过程中应结合技术标准和施工指导措施，如采取混凝土内掺加适当粉煤灰、控制水泥用量、降低混凝土的入模温度、对承台进行“内散外蓄”养生等有效办法，实时监控大体积混凝土温度升降情况，保证大体积混凝土的内外温度变化不超过25℃，保证混凝土不会因内外温度变化过大而出现裂缝影响混凝土使用寿命。在大体积混凝土施工中应注意分层浇筑厚度，冷却水管通过计算布置合理，混凝土浇筑完成后采取措施及时在其表面进行洒水保湿养护，免受大气温度、湿度的影响，降低表面温度、湿度，防止混凝土表面扩大内外温差产生裂缝。

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