摘要：本文运用有限元分析软件建立大体积预应力混凝土承台温度场模型，对承台浇筑阶段的温度场进行仿真分析，研究混凝土内部温度场随时间的变化规律，并与实测值进行比较。根据理论分析结果和现场温度监测，指导制定施工过程中的温度控制方案，并采取相应温控措施。
关键词：承台；大体积预应力混凝土；水化热；温度场；

前言
大体积混凝土浇筑后，水泥水化热会产生大量热量，由于混凝土导热性能较差，内部温度就急剧上升。与此同时，混凝土表面由于散热条件相对要好，温度下降较快，其表面温度相对要低。因此，在混凝土内部和表面之间产生温度差。温度的升高和降低引起混凝土的膨胀和收缩，膨胀和收缩受到支承结构的约束，在混凝土内部和表面就会产生应力，应力过大，就导致出现裂缝[1]。
大体积预应力混凝土不仅混凝土体积大，而且混凝土强度更高，单位体积水泥用量更大，水化热问题更为突出。另外，预应力混凝土结构对裂缝控制要求更加严格，为了防止大体积预应力混凝土产生裂缝，混凝土浇筑前就必须对其进行温控方案设计，施工时对其温度场进行监测。为了验证温控方案设计的合理性，同时准确预测浇筑时温度场及温度应力的分布规律，很有必要对大体积混凝土结构进行模拟仿真计算。本文将结合具体工程实例，对上述问题进行研究。

1 工程背景
飞龙岛大桥为独塔双索面斜拉桥，主跨150m，承台以上塔高87m，主塔采用分离式承台，承台间设系梁连接，单个塔柱下承台尺寸为21×13.6×5m，系梁尺寸为9×3.5m，承台采用C40混凝土，内设预应力，单个承台混凝土体积约3000m3，属于高强大体积预应力混凝土。为了防止承台产生温度裂缝，浇筑前，进行了温控方案设计，同时用有限元软件Madis进行了仿真计算，施工过程中对温度场和温度应力进行了监控，确保了承台的施工质量。

2 温控方案设计
2.1 配合比设计
在保证承台混凝土强度的前提下，通过优化混凝土配合比，尽可能降低水泥用量，就可以降低承台在浇筑过程中的水化热，从而降低混凝土内部和表面温度差。通过多次试配，最终选择的混凝土配合比如表1所示。 2.2 分块分层方案
通过分块分层浇筑，减小混凝土一次浇筑体积，有利于削减混凝土最高温度和内外温差,也可以减小约束,减小温度应力，从而防止混凝土开裂[2]。飞龙岛大桥根据主塔预埋钢筋、温控设计和浇筑能力水平分三层浇筑，分层厚度自下而上为1.5m、2.0m、1.5m，具体分层方案如图1所示，每层之间的浇筑间歇为5～7天，同时下层混凝土达到80%的强度方后浇筑上层混凝土。
2.3 冷却水管埋设
除了对水泥水化热控制外,在浇筑过程中，预埋冷却水管，通入循环水将内部热量带出，实现人工导热，从而降低混凝土内部和表面温度差。根据混凝土内部温度分布特征，第1至第3层在厚度方向共布设4层冷却水管，具体布置如图2所示。冷却水管采用φ42.3×3.25 mm的输水黑铁管，水管水平间距1.2m，水管通水前进行压水试验,防止管道漏水、阻水。
  2.4混凝土养生
大体积混凝土的裂缝，特别是表面裂缝，主要是由于内外温差过大产生的。浇筑后，通过加强混凝土养生，控制混凝土内部和表面温度差，是防止混凝土开裂的关键措施之一[3][4]。具体措施可以在每层混凝土浇筑完毕，待混凝土终凝后立即在上表面作蓄水池，蓄水深度在20cm以上，进行蓄水养护，以推迟混凝土表面温度的迅速散失，或者在承台周围搭建暖棚进行保温，在内通蒸汽或采用电加热等措施，控制混凝土表面温度与内部中心温度或外界气温的差值，防止混凝土表面开裂。

3 有限元仿真计算检验
3.1 有限元计算模型
上述措施能否控制住大体积混凝土内部和外表面温度差，避免产生温度裂缝，针对本桥具体温控方案，采用了有限元软件MIDAS进行承台混凝土温度场分析。考虑承台是对称结构，取结构的1/2进行有限元划分，计算模型共有单元11268个，节点13144个，有限元模型如图3和图4。www.tmgc8.com
  按照温控方案设计的要求，在midas/civil软件中分3个施工节段模拟承台的浇筑过程，为更清晰准确分析大体积混凝土在施工阶段温度场、温度应力及温度引起的位移的变化，在每一施工阶段预留一定的时间以便使混凝土可以充分水化。第一施工节段为浇筑封底混凝土和承台第一层，混凝土水化时间为7天；第二施工节段为浇筑承台第二层，混凝土水化时间为7天；第三施工节段为浇筑承台第三层，混凝土水化时间为7天。
3.2模型基本参数的选取
混凝土材料及相关热特性值参数如表4.1所示，根据水泥水化热公式： 承台混凝土与封底混凝土接触面为第三类边界条件，去封底混凝土为固定温度；各层混凝土接触面采用第四类边界条件；混凝土与空气或通过模板与空气接触采用第三类边界条件。 表3-22 结构材料温度特性参数表 参数 承台C40 封底混凝土 比热kcal/kg℃ 0.25 0.25 热传导率kcal/m h℃ 2.68 2.5 容重kN/m^{3www.tmgc8.com} 24.53 25.4 对流系数 kcal/m²h℃ 空气 12 - 水与钢模 58 - 外界温度℃ 20 - 浇筑温度℃ 25 - 28天抗压强度MPa 40 - 强度发展系数ACI a=4.5,b=0.95 - 28天弹性模量kN/m^{2www.tmgc8.com} 3.31×10⁷ 2.6×10⁷ 热膨胀系数 1×10^-5 1×10^-5 泊松比 0.2 0.2 每m³水泥含量kg/m³ 420 - 热源函数系数 K=61.47,a=0.406 - 管冷 流入温度℃ 23 - 流量m3/h 1.5 - www.tmgc8.com 3.2 计算结果分析
通过有限元建模分析，可得承台各特征点温度和应力时程图以及各个特征时刻温度场和应力场云图，特征点1923、4405、7341分别为第一、二、三层混凝土内部中心点，特征点1926、4996、7740分别为第一、二、三层混凝土表面点，具体详见图5~8。
  从图5各施工阶段特征点温度时程图中可看出，水化反应初期，温度上升很快，随后慢慢下降，大概在每一层浇筑该层后3天，该层混凝土温度达到最大值，第二层温度最高，最高温度为64℃，内外最大温差为28℃。从图6~8各层特征点应力时程图可以看出，在各层水化热初期，混凝土内外温差使混凝土表面出现拉应力，在温度下降阶段由于内部收缩大于表面，再混凝土内部出现拉应力，但应力均在容许应力范围之内。

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