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0.引言
伴随着世界桥梁向大跨度的趋势发展，大跨度桥梁的承台也逐渐大规模使用大体积混凝土。在浇筑体积较大的混凝土构件时，混凝土产生水化热，由于承台的尺寸较大，混凝土内部的热量没有办法快速的向外部散发出去，而混凝土表面的热量散热的较快，从而形成在混凝土内部的温度梯度[1]。当大体积混凝土的内部与外部的温度差值过大时，就时常会在混凝土的表面形成温度裂缝，因此，为了能够有效控制大体积混凝土承台内部与外部的温度差，通过将冷却水管埋置于大体积混凝土承台的内部，来减小大体积混凝土的内部温度[2]。作者拟以金山特大桥的大体积混凝土承台为研究对象，利用有限元软件，建立实体模型，分别采用两种完全不同的管冷布置方式，以寻找最优的布置方式来减少混凝土产生温度裂缝[3]。
1.工程概况
金山特大桥位于三台县。主桥为(115+125+115)m，桥型是预应力混凝土连续刚构桥梁，桥面宽16m，最大纵坡2.75%。承台采用C50混凝土，其主墩承台平面为长方形，厚8m，平面尺寸24m×24m。在开始浇筑大体积混凝土承台时，便开始向冷却水管内通入冷水，冷却水管采用的是管径为12mm的铸铁水管[4]。此桥梁承台的管冷布置方案分别为矩形管冷、蛇形管冷。
2.建立有限元分析模型
2.1 计算模型
采用有限元软件Midas/Gen，建立了桥梁承台的实体模型。桥梁承台的长度、宽度、高度分别为24m、24m、8m。取地基厚度为4m，且长度、宽度都比桥梁的承台大20m。根据其结构的对称性，本计算模型取整体模型的1/4来进行分析[5]。该模型共有2355个节点，1730个实体单元。最大绝热升温为65℃，对桥梁承台在浇筑混凝土后的700h水化热进行计算分析，冷却水管作用于前70h。
2.2 热力学参数设置
依照该工程施工过程中实际情况，本承台混凝土的比热为0.3kJ/(kg·℃)，热传导率取值为2.8kJ/(m·h·℃)[6]。地基的比热取值为0.2kJ/(kg·℃)，热传导率取值为1.7kJ/(m·h·℃)。混凝土的环境温度指的是在其浇筑后，养护过程中的周围温度[7]。根据该工程桥址的气候条件因素综合考虑，决定将混凝土的初始温度与混凝土的外部环境温度都取值为22℃。
3.模拟结果
3.1 温度场
模型分析时间取10h,20h,30h,45h,60h,80h,100h,130h,170h,250h,350h,500h,700h。本承台的实体模型计算了大体积混凝土在700h内的温度场，最大绝热升温为68℃，冷却水的初始温度为16℃，记录了承台温度的变化情况。分别选取承台的两点，分别为N998、N891两个具有代表性的节点进行分析[8]。具体情况如下：
其中，如图1、图2所示，运用矩形管冷与蛇形管冷的最高升温温度粉分别为30.5℃、48℃。其中矩形管冷在降温时具有一段缓冲时期，而蛇形管冷的降温速度快，且承台内外侧在温度最高时，温差较大，相差最大为18℃。矩形管冷承台温度于180h后趋于稳定，蛇形管冷在160h后，温度趋于稳定。
图1 矩形管冷温度
图2 蛇形管冷温度
3.2 应力场
混凝土的温度应力是由于承台内部结构的温度发生变化时，受到内部与外部约束作用而产生的应力[9]。在大体积混凝土温度应力的作用下，大体积混凝土承台结构的开裂与混凝土的受力状态均同时受混凝土主拉应力的方向和主拉应力的大小的影响[10]。
如图3、图4所示，采用蛇形管冷，混凝土出现了较大的应力，先出现了较大的压应力，随后又出现了较大的拉应力，最后在175h后趋于稳定，其最大应力值为-600kN/m2，而采用矩形管冷，没有出现较大的压应力与拉应力，其最大应力值为-68kN/m2，同样最终在175h后，趋于稳定。
图3 矩形管冷应力
图4 蛇形管冷应力
4.结论
通过有限元软件建模分析，对大体积混凝土承台的水化热进行了计算、对比、分析，得出了在两种不同管冷布设方案下的大体积混凝土水化热情况，其结论为，矩形管冷在温度方面明显优于蛇形管冷，其最大温度值较小，且降温平缓，从应力值层面出发，矩形管冷的布置方案同样优于蛇形管冷的布置方案，矩形管冷对于应力值的控制情况也较好，因此，在实际的施工方案中，推荐采用矩形管冷进行降温处理，以防止混凝土产生开裂现象。
