0 引言

大跨度桥梁特别是跨山谷桥梁的长度、宽度和高度3个维度的尺寸较大，混凝土方量大，浇注后内部水化热和绝热温升高，如果没有有效地控制好混凝土内部的最高温度、内外温差和表面与环境温差，往往可产生较大的温度应力。当拉应力大于混凝土的抗拉强度时，可导致混凝土结构表面开裂，影响桥墩的整体性和耐久性。近年来，研究人员在大尺寸混凝土结构物温度裂缝的控制方面开展了很多研究，取得了许多成果。崔容义等^[1]，章征等^[2]，姜朔等^[3]通过对桥墩混凝土温度场的监测与模拟，分析了桥墩混凝土水化热随时间变化特点，提出了防止早期开裂的措施。翟建平等^[4]，刘伟等^[5]通过对承台大体积混凝土的温度监测，阐明了承台混凝土的水化热温度特点，提出了相应的温控指标和温控措施。J A Teixeira de Freitas等^[6]，徐骏等^[7]，吴献等^[8]基于有限差分法对筏板基础混凝土的温度场进行了计算，并与现场监测结果进行对比，分析了施工中采取的温控措施。汪建群等^[9]、XuMing Song等^[10]通过对桥梁梁体混凝土截面水化热温度的测试，给出了测点温度-时间曲线，提出了温控方法。已有的研究资料对大尺寸混凝土结构物的温控措施进行了大量的研究，均重点关注了降低最高温度、降低两类温差的方法和可采取的措施，未考虑这些方法或措施的实际效果，在实际工程中部分桥墩在早期依然出现了裂缝，如某高速公路宜昌段某桥梁桥墩(172 m)实心段，3次浇注3次开裂，带来了经济损失与安全隐患。

本研究将采用数值模拟的方法计算最高阶温度场和温度应力，采用控制变量法对比分析整体浇注、分层浇注和布置冷却水管等不同的施工方案及温控措施对桥墩混凝土抗裂效果的影响，找出合适的温控措施，为今后同类工程的施工提供参考和借鉴。

1 工程背景

某高速公路特大桥桥墩总高度为172 m，右幅6^#桥墩为柔性空心薄壁墩，第1节底部高度为5 m，其中实心段高为2 m，几何尺寸为14.60 m×5.28 m，空心段高为3 m，几何尺寸为13.59 m×4.58 m，厚度为0.7 m。桥墩、承台混凝土的强度等级分别为C50，C30。原材料配合比如表 1所示。本研究以该桥梁高墩实心段钢筋混凝土为研究对象，对整体浇注、分层浇注、布置冷却水管等不同施工方案和温控措施，通过现场监测结果与数值模拟结果对比，分析了温控防裂的实际效果。

2 桥墩混凝土温控措施分析 2.1 温度场有限元分析 2.1.1 计算公式 2.1.1.1 绝热温升

本研究采用朱伯芳提出的复合指数式^[11]模拟水泥水化热和绝热温升：

(1)

式中，Q(τ)为在龄期τ时积累的水化热；Q₀为龄期τ趋近于无穷时的最终水化热；a和b为系数，分别取0.9和0.6。

2.1.1.2 弹性模量

计算时假设混凝土的弹性模量不变，且不随温度变化而变化，只与混凝土的龄期有关。根据《混凝土结构设计规范》，桥墩C50混凝土的弹性模量取3.45×10⁴ MPa，承台C30混凝土的弹性模量取3.00×10⁴ MPa。

2.1.1.3 对流换热系数

混凝土表面与空气等介质的对流换热系数为：

(2)

式中，h为对流换热系数; v为风速。

2.1.1.4 徐变

混凝土的徐变按照式(3)计算：

(3)

式中，C₁，C₂为与混凝土特性有关的常数；C₁＝0.23/E，C₂＝0.52/E，E为混凝土最终的弹性模量。

2.1.2 有限元模型

取桥墩的1/4建模计算，模型单元划分如图 1所示，其中桥墩x方向网格几何尺寸为0.53 m×0.4 m，z方向网格几何尺寸为0.73 m×0.4 m；承台x方向网格几何尺寸为0.53 m×0.53 m，z方向网格几何尺寸为0.73×0.73 m。

2.1.3 数值模拟条件

混凝土的入模温度为28 ℃，施工时环境温度平均值为22 ℃；桥墩下部承台混凝土的弹性模量取3.00×10⁴ MPa；桥墩实心段布置两层ϕ40 mm的薄壁钢管作为冷却水管，水平间距为1 m，冷却水水温为15 ℃；当地平均风速取6 m/s；采用保温养护的方法，暖棚内温度为30 ℃，浇注混凝土后暖棚保温4 d。材料特性如表 2所示。

2.1.4 数值模拟结果

数值模拟结果如表 3、表 4所示，最高阶温度场、最大内外温差及28 d应力场如图 2、图 3所示。

2.1.5 结果分析

由表 4和图 2可知，桥墩内外形成了不均匀的温度场，在浇注后约25 h出现温度峰值，最高温度为63.48 ℃，内外温差最大值为30.99 ℃。由图 3可知，桥墩混凝土温度应力最大值出现在桥墩实心段内部和桥墩与承台交界处。由表 4和表 5可知，混凝土各龄期温度应力最大值均未超过极限抗拉强度。但是由表 6可知，各龄期抗裂安全系数为3.25，1.02，1.15和1.15，根据《建筑施工手册》^[12]，大体积混凝土抗裂安全系数应不小于1.15，所以在第7 d时一定会开始出现温度应力裂缝。为防止温度应力裂缝的产生，下面将采用控制变量法分析温控措施。

2.2 温控措施分析

进行温控的主要目的是为了使混凝土的拉应力小于其极限抗拉强度，抗裂安全系数满足要求，避免产生温度应力裂缝。结合已有的资料^[13-18]，下面将从冷却水管的布置和混凝土浇注模式两方面入手，分析其对大尺寸混凝土结构物抗裂效果的影响，找出合适的温控措施。

2.2.1 冷却水管方案

将计算条件第3条中两层冷却水管方案改为不布置冷却水管(方案1)和布置3层冷却水管(方案2)，其他条件不变，再次进行计算，数值模拟结果如表 7、表 8所示，最高阶温度场、28 d应力场如图 4、图 5所示。

由表 7和图 4可知，在桥墩的实心段布置冷却水管通水有助于降低混凝土内部的温度，当不布置冷却水管、布置两层冷却水管和布置3层冷却水管时，桥墩混凝土内部温度最高值分别为69.08，63.48和62.42 ℃。由表 8可知，不布置冷却水管的情况下，第7 d的温度应力已经超过了混凝土极限抗拉强度，布置3层冷却水管使得各龄期温度应力最大值均有所下降且小于混凝土的极限抗拉强度。由表 9可知，不布置冷却水管各龄期抗裂安全系数为2.74，0.90，1.02，1.03，布置3层冷却水管时为3.37，1.04，1.17和1.18，虽然布置3层冷却水管时抗裂安全系数较大，但是第7 d时不符合要求，未布置冷却水管、布置两层冷却水管和3层冷却水管，在同一浇注模式下，均会产生温度应力裂缝。

2.2.2 浇注模式 2.2.2.1 分两层浇注并布置两层冷却水管(方案1)

将桥墩先浇注底部靠近承台实心段的1 m，后浇注余下的4 m，其他条件不变，再次进行计算，数值模拟结果如表 10、11所示，最高阶温度场、28 d应力场如图 6、7所示。

2.2.2.2 分两层浇注并不布置冷却水管(方案2)

将桥墩分成两层浇注且不布置冷却水管，其他条件不变，再次进行计算，数值模拟结果如表 12、表 13所示，最高阶温度场、28 d应力场如图 8、图 9所示。

2.2.2.3 结果分析

由表 10~表 14可知，改变混凝土的浇注模式使得混凝土内部最高温度和各龄期温度应力大幅下降。由表 14可知，分成两层浇注并布置两层冷却水管、分成两层浇注并不布置冷却水管时抗裂安全系数均远大于1.15，均不产生温度应力裂缝。

3 现场监测与数值模拟结果对比分析

温度测点布置方案如图 10所示，在整体浇注的情况下测温点截面位于桥墩底面上方1 m处，在分两层浇注的情况下测温点截面位于桥墩底面上方1.5 m处，每1 h监测一次温度，连续监测4 d。

图 11(a)所示为整体浇注的情况下测点2现场监测与数值模拟结果对比的温度随时间变化曲线。图 11(b)所示为分两层浇注并布置两层冷却水管的情况下测点2现场监测与数值模拟结果对比的温度随时间变化曲线。由图 11可知，现场监测结果与数值模拟结果基本吻合，采用有限元分析的方法可以较好地了解桥墩混凝土内部温度场的变化，在浇注之前提前进行数值模拟，选取合理的施工方案和温控措施，可以指导大体积混凝土的温控施工，以防止温度应力裂缝的产生。

4 结论

(1) 浇注方案对大体积混凝土的温度控制有巨大影响；不合理的浇注方案加大防裂的难度，也会提高控制的不确定性。

(2) 目前采用的排布冷却水管的降温防裂措施，实际效果并不显著，模拟结果表明，如果不改进现有的降温模式，温度的降低和防裂效果与冷却水管的排布方式和排布数量无直接的关系。

(3) 对厚实、强度等级较高的钢筋混凝土结构物(构筑物)，应优先采用分层浇注的方法，这可大大提高大体积混凝土在各龄期抵抗温度应力的能力，确保混凝土整体的温度稳定性。

(4) 浇注混凝土之前采用数值模拟的方法对比不同的施工方案和温控措施，可以明确不同施工方案的实际效果，选取合理的温控措施，防控温度应力裂缝的产生。