李之达, 黄勇哲, 兰晴朋, 龚 磊, 邓业逵, 罗 实

(1.武汉理工大学 交通学院,湖北 武汉 430063；2.中建三局第三建设工程有限责任公司，湖北 武汉 430074)

0 引 言

随着我国生产力和人民生活水平不断提高，我国桥梁建设也越来越往大跨径方向发展，大体积混凝土在桥梁建设方面也运用的越来越多。如桥梁支墩承台、悬索桥重力式锚碇和隧道锚锚碇等方面。大体积混凝土与普通钢筋混泥土相比具有体积大、截面大、钢筋比率小、性价比高等特点。混凝土中的水泥属于胶凝材料，在与水拌合时会发生水化作用产生大量的水化热，而混凝土本身又是导热性较差的材料。在大体积混凝土中心部位的水化热不易散发，累积在混凝土内部导致中心温度越来越高，而表层混凝土本来累积的水化热就比较小并且与空气接触容易散热，最终导致中心温度与表面温度差越来越大。这种温度差会使得混凝土表面产生拉应力，而混凝土在硬化的过程中弹性模量小，在拉应力作用下极容易产生裂缝。因此在浇筑大体积混凝土时除了控制混凝土的强度、刚度和耐腐蚀性等要求外还要注意控制混凝土的温度发展。

一般的大体积混凝土都是露天浇筑，如桥梁承台、房屋地基、水坝等，少有在半封闭条件下的。而悬索桥的隧道锚中的锚塞体浇筑是在土体中，除混凝土上表面能与隧道内的空气交换热量其余各面均与岩体或混凝土接触无法与大气交换热量。本文就结合宜昌市伍家岗长江大桥北岸隧道锚中锚塞体温控项目研究在半封闭条件下的大体积混凝土水化热。

1 工程概况

伍家岗长江大桥位于宜昌长江公路大桥上游约6.1 km处，南起江南一路，并设置互通立交，线路跨越长江后，与伍临路设置互通立交，向北与花溪路对接，主线全长2 813 m，其中桥长1 845 m。大桥北岸为隧道式锚碇，锚体轴线的倾斜角度为40°，锚塞体范围为前小后大的楔形，前锚面尺寸为9.04 m×11.44 m，后锚面尺寸为16 m×20 m。上下游隧道锚中心距离37.50 m，最小净距约23.42 m。

根据施工方案，左、右两个锚塞体混凝土方量为16 494.92 m3。为防止锚塞体混凝土出现有害温度裂缝，每个锚塞体水平分 12 层，除第 1 层高为6 m及第12层高为 4.554 m外，其他层高均为 3 m，如图1所示。分层后，最大浇筑方量为第4层，约为1 025 m3。

图1 锚塞体三维分层示意图

2 参数选取

2.1 材料选择与物理参数

施工现场的混凝土拌合材料的配合比(kg/m3)为：水泥∶粉煤灰∶砂∶碎石∶水∶合成纤维∶膨胀剂∶外加剂=245∶135∶800∶1 000∶170∶0.9∶35∶10.64。其进行有限元计算时的热工参数见表1。

表1 有限元计算时的热工参数

2.2 冷水管布置

第二层至第十一层单层浇筑厚度3 m，共计厚度30 m，单层布设2层冷却水管，每层设置2个进水口2个出水口，下层冷却水管距浇筑底面0.75 m，顶层冷却水管距离浇筑顶面0.75 m，水平间距均为1 m。第一层浇筑厚度6 m，布设3层冷却水管；第十二层浇筑厚度4.554 m，单层布设3层水管。根据工程实际取管冷参数，冷却水入水温度20 ℃，冷却水流速为2.0 m3/h，水管直径为32 mm。

3 锚塞体温度场分析

根据锚塞体实际尺寸建立有限元模型，混凝土的入模温度为20 ℃。选取有限元模型选取浇筑量最大的第四层来详细分析锚塞体温度场变化,如图2～图4所示。

图2 第1d温度场

图3 第3d温度场

图4 第7d温度场

提取锚塞体浇筑后的中心温度与表面温度，做出温度随龄期的变化曲线，并通过提取的温度数据计算出里、表温随时间变化曲线，如图5所示。

图5 锚塞体温度曲线变化图

通过有限元模型计算得，混凝土中心温度先快速上升到达温峰，然后在冷却水管的作用下中心温度开始有规律的下降。中心温最高温度为51.5 ℃，温峰时间出现在第60 h。里表温差最大值为12.7 ℃。中心最高温度与里表最大温差均低于国家规范值[1]。

4 温度监控与分析

4.1 温度监控目的与意义

大体积混凝土在完成现场浇筑之后，由于自身特点(导热性差、水化收缩、抗拉强度增加缓慢等)、外界因素(温度变化、风速、湿度等)和现场的各种施工工艺及在环境因素的相互影响下，可能会直接使整体混凝土结构产生大量的基层表面裂缝、深层次的裂缝以及具有贯穿性的裂缝。为保证工程施工质量，在大体积混凝土浇筑之后，必须能够得到并预测混凝土内部及表面温度，以此分析整体应力分布规律。根据分析预测合理安排施工工艺，以及实施温控措施，确保工程质量防止裂缝出现。

对混凝土进行温控的主要目的就是使大体积混凝土内部的温度场变化按照人们预想的温控目标发展，具体表示为：

(1)控制混凝土中心最高温度不超过规范要求。

(2)控制里表温差，防止温差过大在混凝土表面产生较大的拉应力。

(3)控制混凝土降温速率，以防止温度剧烈变化导致产生内应力。

4.2 传感器的选择与布置

本次伍家岗大桥大体积混凝土水化热温度监控采用由四川金马科技有限公司生产的自动化综合测试系统进行，元器件埋设后连接到系统，测试人员可远程实时监测混凝土内部温度变化情况，实现控制及时性，可大大提高工作效率。

传感器根据设计文件及要求埋设，各测位布置混凝土内部中心点和表层温度监测点，满足最高温度测试及里表温差测试需求，另单独布置测点对进出口水温进行温度监测。

第一层(厚度6 m)：共计布置3个测点，布置位置为浇筑面与隧道底板接触面、浇筑层中心点、浇筑边缘顶面。

第二至十一层(每层厚度3 m)：每层布置2个测点，布置位置为浇筑层中心点、浇筑边缘顶面，共计布置20个测点。

第十二层(厚度4.554 m)：共计布置3个测点，布置位置为浇筑层中心点、浇筑面与隧道顶接触面、浇筑层与空气接触面。

温度传感器须在混凝土浇筑之前布置。在锚塞体内部钢筋绑扎完成之后，由专业人员根据设计方案在测温点布置温度传感器。

4.3 实测结果与理论结果对比

锚塞体里表温度的实测结果与计算结果，如图6所示。

图6 实测温度与计算温度对比

由图6可得，有限元计算值中心温度最高值为51.5℃，监测的中心最高温度为53.4℃，中心最高温度的计算值与实测值的相对误差为3.6%，表面最高温度的相对误差为5.3%，相对误差较小在允许范围内。说明有限元计算能很好地预测工程上的温度变化趋势，并为之后的混凝土浇筑提供温控指导。

5 结束语

本文基于宜昌市伍家岗长江大桥北侧隧道锚为工程背景，采用工程实际与有限元计算相结合的方法研究隧道锚内锚塞体浇筑时温度场，得到如下结论：

(1)通过分析锚塞体水化热温度场发现埋设冷管之后锚塞体最大温度为51.5℃，里表最大温差为12.8℃，证明冷管对锚塞体的温控效果是非常有效的，锚塞体的中心最高温度与里表最大温差均在可控范围内。

(2)对比分析计算数据与实测数据发现，理论值与实测值变化趋势大致相同。虽然理论值与实测值的中心最高温度、温峰时间和曲线的光滑程度略有差异，但理论与实测中心最高温度的误差在10%内，说明数值模型比较符合工程实际。这样数值模型可以提前预测锚塞体温度场的发展，并为工程提供指导与建议。

(3)隧道锚内属于半封闭环境，锚塞体浇筑时表面对流系数小，还有利于控制里表温差，若在室外环境浇筑的混凝土里表温差将会更大。