近几十年来，我国桥梁建设迅速发展，众多大跨度桥梁相继建成。大型桥梁的基础承台、混凝土塔柱、墩身及悬索桥的锚碇等结构都属于典型的大体积混凝土结构，在桥梁结构受力中起着关键作用。这些大型混凝土结构中水泥(凝胶材料)与水进行水化作用产生大量的热量，而混凝土材料本身由于导热性较差，在结构中心累积的水化热温度越来越高，表层混凝土因易于散热水化热较小，易导致大体积混凝土结构中心温度与表面温度差越来越大^[1-3]。这种内外温差容易导致结构表面出现裂缝，对桥梁结构整体的安全性和耐久性产生影响，降低桥梁的使用寿命^[3]。

国内外学者对大体积混凝土结构温控进行了大量的研究。法国图卢兹大学Buffo等^[4]建立了水化热有限元分析模型，利用该模型对大体积混凝土的水化热程度、温度和混凝土含水量进行了准确的预测。Bobko等^[5]研究出了一种新的预测大体积混凝土温升的方法，将水化热的求解方法和热传导的计算方式与施密特方法相结合，通过对计算结果分析和建模就可以实现对大体积混凝土温升的预测。Saeed等^[6]采用DIANA FEA BV软件对两个现场大体积混凝土进行了有限元模拟，对大体积混凝土的水化热、温度场、应力、裂缝等进行了较为准确的预测。蔡明轩等^[7]基于FROTRAN语言开发了三维温度场有限元程序对水管冷却参数敏感性进行分析，证明冷却水管间距、冷却水温、冷却时长对承台冷却效果影响明显。陈渴鑫等^[8]结合工程实例选取不同参数下的冷却水管对混凝土内部温度场进行详细的计算分析，结果表明合理的选择各项参数能有效降低混凝土内部温度梯度，减小温度应力从而预防温度裂缝的产生。王雨川^[9]等结合工程实际，通过数值模拟发现浇注方法(整体浇注、分层浇注)对结构抗裂性能有明显影响，对厚度大、强度高的大体积混凝土结构优先考虑分层浇注的方法。于冬等^[10]通过ANSYS仿真发现入模温度的提升会增大结构温度应力，冬季施工的大体积混凝土结构宜将入模温度控制在10 ℃左右。尽管国内外学者对大体积混凝土结构水化热影响因素进行了大量研究，但对影响因素排序分析和山区大体积混凝土结构温控研究较少。

山区气候变化大，温度垂直差异明显，风速、海拔、坡向均对温度有较大影响，昼夜温差也较大。山区大跨度桥梁承台混凝土体积大，水化热高，导致内部温度、内表温差过大，易产生温度裂缝，对其进行温度控制非常重要。本研究以贵州山区桥梁承台为研究对象，取现场环境温度、冷却水实测温度、现场实测流量等参数建立有限元仿真模型进行水化热模拟，并据此进行影响因素分析排序，因地制宜地选取适合于山区现场的参数优化温控方案，用于指导现场的施工，并为山区承台大体积混凝土温控提供指导。

以贵州山区某预应力混凝土连续刚构桥为工程背景，左幅采用8×40 m预应力混凝土结构连续T梁+ (95+2×180+95)m预应力混凝土连续刚构+1×16 m现浇箱梁，右幅为9×40 m预应力混凝土结构连续T梁+ (95+2×180+103)m预应力混凝土连续刚构+1×16 m现浇箱梁。主桥联长558 m。主桥刚构主墩承台采用矩形承台，左、右幅桥均采用承台合修，承台尺寸为17.4×23.6×5.0 m。

主墩承台选用C40混凝土，水泥采用播州某水泥P·042.5；粉煤灰为贵州某F类Ⅱ类；碎石和砂来自马鞍山砂石料厂(机制砂)；水为贵州本地河水；减水剂为桑穆斯，配合比见表 1。

承台埋设5层冷却水管，冷却水管竖向间距为1 m，冷却水管竖向布置图见图 1(a)；冷却水管采用外径40 mm，壁厚2.5 mm的钢管，平面间距为2 m，承台第2，4层冷却水管平面布置图见图 1，第1，3，5层平面布置在第2，4层布置的基础上旋转180°。

图 1 承台冷却水管布置图(单位：cm) Fig. 1 Layout of cooling water pipes of bearing platform (unit: cm)

图选项

承台混凝土以一次浇注为宜。承台浇注时，需控制混凝土的入模温度符合规范；混凝土高度覆盖冷却水管时，需立即进行通水冷却，并保持进出水的温差在5~10 ℃之间，承台自浇注起至浇注完混凝土，半月内不间断注水。所用水不宜立即循环使用，以控制水温。大体积混凝土施工阶段的温控标准按照规范^[11-13]进行取值。

混凝土的绝热温升是混凝土结构在绝热条件下，水泥材料水化热全部转化成混凝土温升的温度值。影响混凝土绝热温升的因素主要有水泥品种及用量、混合材料品种及用量和浇注温度，混凝土的绝热温升按GB 504962—2018《大体积混凝土施工标准》^[13]计算。

流体流过固体表面时，由于温差的存在，热量在流体与固体之间传递的过程成为对流换热。表面对流换热系数与空气本身性质、固体表层的形状、固体表层跟流体间的温差及流体的流速均有密切关系^[14]。实际工程中，承台浇注完成四周围有模板，上表面铺有湿棉毡，对流换热系数如式(1)所示：

(1)

式中，β为承台表面与空气层的对流换热系数，量纲为W/(m·℃)；β_q为空气层的导热系数，取β_q= 23 W/(m·℃)；δ_i为各保温层材料厚度；λ_i为各保温层材料导热系数，量纲W/(m·℃)。

承台浇注时平均环境温度为20 ℃，混凝土入模温度取20 ℃，土壤温度取18 ℃。承台为一次浇注，浇注时间约2 d, 材料的热学参数见表 2。

采用Midas软件对主墩承台施工及养护过程进行水化热模拟，取1/4承台为研究对象，充分考虑混凝土入模温度、环境温度、保温措施等参数和边界条件^[15]。模型边界包括对流边界、固定温度边界、对称边界和固定约束这4种，对流边界设置在承台表面，取值见式(1)；固定温度(取18 ℃)与固定约束设置在地基上，对称边界为约束地基与承台在水平面上，省略的一半结构方向的位移。模型中冷却水管为实际布置(见图 2)，通过选取某一层混凝土对应节点的方式内嵌在结构中，单元节点的选取顺序为冷却水管走向。入水温度及流量为实测平均值，冷却水管热学参数见表 3，建立有限元模型如图 2所示。

图 2 (1/4)承台有限元单元网格模型及水管布置 Fig. 2 (1/4) Finite element mesh model of bearing platform and water pipes layout

图选项

根据有限元模型计算可以得到承台各位置水化热数据，提取承台顶面、中心、底面3个位置的温度计算值与承台温度监控相应位置实测值进行对比，如图 3~4所示。

图 3 承台最高温度分布云图(单位：℃) Fig. 3 Cloud diagram of maximum temperature distribution on bearing platform (unit: ℃)

图选项

图 4 承台各层测点温度时程曲线 Fig. 4 Curves of temperature and time history of measuring points at each layer of bearing platform

图选项

从图 3~4可知，承台各层测点经历先升温后降温的过程。前一过程由于承台浇注初期混凝土进行水化反应，水化热积累导致承台温度快速上升。由于混凝土水化反应主要集中在初期，之后水化反应减弱和散热措施的持续作用造成承台温度缓慢上升至峰值，水化放热和热量散失达到平衡，承台温度保持在峰值一定时间后开始下降。随着承台温度下降，与外界温度越接近，承台降温速率放缓。

根据有限元计算结果可知，承台中心层、顶层与底层测点的最高温分别为67.4，51.6，48.7 ℃，出现时间为38，68，68 h，最大里表温差为29.8 ℃，出现时间为107 h。在整个浇注及养护过程中，由于承台中心位置水化热累积高且散热效率低导致中心温度最高，由于冷却水管影响范围有限，承台底层的散热效率很低，温度下降缓慢；而承台顶层由于与空气接触，即使表面铺有一层湿棉毡也持续与空气进行热交换，造成顶层温度下降很快并趋近于环境温度。因此承台中心位置与表面位置易形成温度差，从而易产生温度裂缝，影响桥梁的承载力和耐久性。为控制承台最高温度和里表温差，需要控制冷却水的流量、流速和入水温度并做好承台表面层的保温工作。

桥梁的部分主墩承台施工时间在夏季，中午温度超出30 ℃，混凝土的入模温度难以避免偏高，承台整体温度高于其他季节，需要对温控方案进行优化。对承台温控方案进行优化就需要对影响承台温度的各因素进行分析，包括冷却水管间距和层数、冷却水流量流速和入水温度、入模温度(初始温度)。考虑各种影响因素，以有限元计算结果结合实测数据，对承台温控方案进行优化。

混凝土由于导热性较差，承台内部水化热聚集，通冷却水是混凝土中心主要的散热措施, 冷却水管布置形式的优劣将直接影响降温效果^[16]。原温控方案水管间距2 m，可以看作冷却水管主要针对其周围1 m区域的混凝土散热。那么在两排水管的中间位置的混凝土水化热散热效率低，温度最高。从理论上来说，减小冷却水管的间距可以提高水管中间的散热效率，从而降低承台内部温度。建立冷却水管间距为2，1.5，1.2，1 m这4种工况的有限元模型，其余参数不改变，将计算结果进行对比分析，如图 5所示。

图 5 不同冷却水管间距下的最高温度与里表温差 Fig. 5 Maximum temperatures and inner surface temperature differences with different cooling water pipe spacings

图选项

从图 5(a)可知，随着冷却水管间距的减小，承台的最高温度降低，达到最高温度所需时间减少。从图 5(b)可知，冷却水管间距的减少可以有效改善承台里表温差，有效提高承台内部的散热效率。从计算结果来看，原方案的水管间距偏大，承台内部降热效率低，可以从冷却水管间距出发调整温控方案。但是，冷却水管过密会增加施工成本和施工难度，性价比不高，因此调整冷却水管间距要适度。

承台根据高度布置一定层数的冷却水管以解决竖向水化热累积问题。原温控方案5 m的高度上布置5层冷却水管，间距1 m一层。为研究冷却水管层数对承台温度场的影响，在5层水管的基础上加一层，建立有限元模型计算对比，其结果如图 6所示。

图 6 不同冷却水管层数下的最高温度与里表温差 Fig. 6 Maximum temperatures and inner surface temperature differences with different cooling water pipe layers

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从图 6可知，在原有温控方案上加一层冷却水管对承台温度有一定程度的效果，但是性价比并不高。原方案竖向冷却水管1 m一层已经比较合理，从冷却水管层数方面对温控方案进行调整意义不大。

承台在浇注完成后，只能通过通冷却水来进行降温^[17]。理论上冷却水流量越大，入水温度越低，冷却水与混凝土的热交换越剧烈，吸热效率越高，承台降温效果越明显。承台所用冷却水都来自贵州当地河流，当地气温较低，河水温度不高，便于控制入水温度，适合用于承台降温。实测入水温度平均值为26 ℃，取入水温度分别设置20，26，30 ℃这3种工况，其余参数不变进行有限元计算，结果对比如图 7所示。

图 7 不同冷却水入水温度下的最高温度与里表温差 Fig. 7 Maximum temperatures and inner surface temperature differences with different cooling water temperatures

图选项

从图 7可知，降低冷却水入水温度对承台最高温度和里表温差均有改善。降低入水温度可以使最高温度出现时间提前一些并使承台降温段速度加快。其次，冷却水入水温度控制简单，成本低，性价比高。承台在浇注和养护过程中，现场常通过增大冷却水流量流速和控制入水温度的措施提高冷却效果。从计算结果来看，控制入水温度能加快承台降温，在实际工程中可以有效应用。但需要注意冷却水温度不宜过低，否则会使水管附近混凝土产生较大的温度梯度，从而产生较大的拉应力使承台出现温度裂缝。

为研究冷却水管通水量对承台温度场的影响，控制其他因素相同，设置不同冷却水通水量0.1，0.8，1，1.2，1.5 m³/h共5种工况进行仿真计算，结果对比如图 8所示。

图 8 不同冷却水流量下的最高温度与里表温差 Fig. 8 Maximum temperatures and inner surface temperature differences with different cooling water flows

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从图 8可知，后4种工况下承台温度趋势相同，最高温度和里表温差变化很小，第1种工况下承台降温效果差，承台中心最高温度变高，下降段降温速率变低。所以，承台冷却水通水量过低会影响承台的降温效果，但通水量达到一定量后，增大通水量对冷却效果的提升并不明显。在实际工程中，常通过增大冷却水流量流速和控制入水温度的措施来应对承台温度达到预警的情况，从计算结果来看，在现场通水量达到一定程度后通过提高通水量提高冷却效果一般。

承台构件内部的温度主要由入模温度(初始温度)、与周围环境的热交换以及水化热产生的热量决定^[18]。为研究混凝土入模温度对承台温度场的影响，设置混凝土入模温度为20，25，30，35 ℃这4种工况，其余参数相同，建立有限元模型进行计算，其结果对比如图 9所示。

图 9 不同入模温度下的最高温度与里表温差 Fig. 9 Maximum temperatures and inner surface temperature differences with different molding temperatures

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从图 9可知，混凝土入模温度越高，承台最高温度与里表温差也越大，承台最高温度的变化值与入模温度变化值接近。混凝土入模温度对承台温度场的影响很显著，控制混凝土入模温度可以减少裂缝的出现，对承台质量有重要作用。实际工程中，混凝土的拌制, 和运输罐车、泵送内管等之间的摩擦, 与大气环境的热交换都会造成混凝土入模温度的上升，为保证承台不出现温度裂缝，需对混凝土入模温度进行控制。项目部分承台施工在夏季，大气温度高于30 ℃，为保证混凝土入模温度符合规范要求施工方可采取制冷水+片冰拌和混凝土方案降温。

通过有限元计算得到在冷却水管间距、冷却水管层数、冷却水流量流速、冷却水入水温度、入模温度这些参数影响下的承台测点的温度时程曲线，得出冷却水管间距、冷却水入水温度、入模温度对承台中心最高温度和里表温差影响较大；冷却水量在足量后对承台冷却效果提高影响小；冷却水管层数(竖向间距)对承台温度场有一定影响，但是性价比低。温度时程曲线体现了承台升温到降温阶段的温度变化，从整体上确定了对承台温度场影响程度由高至低依次为：入模温度、冷却水管间距、冷却水入水温度，但是无法清晰表示承台中心最高温度和最大里表温差的变化规律。为得到以承台中心最高温度和最大里表温差为温控目标的最佳参数值，分析不同入模温度、冷却水管间距、冷却水入水温度对承台中心最高温度和最大里表温差的影响，并绘制如图 10所示。

图 10 不同冷却水管间距、入模温度、冷却水温度下的承台温度 Fig. 10 Bearing platform temperatures with different cooling water pipe spacings, molding temperatures and cooling water temperatures

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由图 10(a)可知，冷却水管间距越小，承台中心最高温度与最大里表温差越小，承台的冷却效果越好。承台中心最高温度与冷却水管间距接近线性变化，而最大里表温差在冷却水管间距接近1 m时变化明显。由于规范要求钢冷却水管的布置间距在1~2 m之间，优化后温控方案的冷却水管间距取1 m。由图 10(b)可知，承台中心最高温度及最大里表温差随入模温度的增大而增大，接近线性变化趋势。入模温度对承台温度场影响明显，取值应往低，但是规范要求入模温度控制在5~30 ℃且入模温度现场较难精确控制。考虑到贵州遵义夏季平均气温约24.1 ℃，入模温度取20 ℃。承台夏季施工时，中午大气温度超过30 ℃，可以采取混凝土加冷水拌制并尽量避开中午施工。由图 10(c)可知，承台中心最高温度及最大里表温差与冷却水温度基本呈正比线性关系，所以冷却水温度不宜过高；而过低的冷却水会使其附近混凝土形成温度梯度，易造成温度裂缝。综上，冷却水温度取20 ℃，接近于当地气温，便于控制。优化后温控方案具体参数见表 4，建立有限元模型与原方案对比，结果如图 11所示。

图 11 温控方案优化前后的最高温度与里表温差 Fig. 11 Maximum temperatures and inner surface temperature differences before and after optimization of temperature control scheme

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从图 11可知，温控方案优化后承台的最高温度和里表温差有显著下降，承台最高温度由67.4 ℃下降为61.8 ℃，出现时间提前7 h，降温段的降温效率也有很大提升；承台里表温差由29.8 ℃下降为21.6 ℃，且里表温差降低速率提高，承台冷却效果显著提升，承台内部温度场较优化前有了显著改善。规范要求：混凝土浇注体在入模温度基础上的温升值不宜大于50 ℃，里表温差不大于28 ℃(混凝土厚度大于2.5 m)。优化后的承台温度数据均满足规范要求，不会出现里表温差引起的温度裂缝，可以用于指导现场施工。

现场测试根据承台尺寸与水管布置图预埋测温元件，在承台浇注后采用多通道数据采集仪进行数据自动采集并通过4G网络传输实现远程温控数据实时下载。

现场温度数据采集频率设置为每小时一测，现场实测数据表明：混凝土浇注前期水化反应剧烈，承台各位置温度上升迅速。其中，承台中心温度在35 h时达到了预警值，温度仍呈快速上升趋势(见图 12)，易使承台里表温差超出规范要求，从而产生温度裂缝，影响承台的承载力和耐久性。

图 12 承台各层测点38 h实测温度数据 Fig. 12 Measured temperature data for 38 h at measuring points on each layer of bearing platform

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面对这一情况，以参数分析的结果为依据对现场采取了以下措施：(1)承台进出水温度相差较大，现场冷却水流量和流速可能不足，建议现场加大冷却水流量流速，保证冷却水达到足量；(2)承台冷却水入水温度偏高，造成降温效率不足，建议现场通过加冰等措施将入水温度降下来，提高冷却水吸热效率；(3)做好承台表面的保温工作，适当延长承台模板脱模时间。以上措施在现场应用后，承台中心温度上升趋势有所放缓，承台降温效率有显著提高，最终承台实测最高温度略高于规范要求，如不及时采取措施进行控制，承台最高温度预计将达到80 ℃左右。通过有限元进行参数分析的结果为现场施工与紧急措施的应用提供了依据，现场应用效果反馈良好，承台表面未发现里表温差引起的温度裂缝。从整个温控过程来看，承台温度实测数据逐渐趋近于有限元计算结果，各层测点的温度时程曲线吻合良好，如图 13所示。

图 13 承台各层测点温度计算值与实测值对比 Fig. 13 Comparison between calculated and measured temperature of measuring points on each layer of bearing platform

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由图 13可知，承台各层测点计算值与实测值都经历先升温后降温的过程，升温速率从大到小排序为：中心层、顶层、底层；将温速率从大到小排序为：顶层、中心层、底层，这是承台不同位置水化热大小与热交换效率决定的。顶层降温段温度实测数据降温速率明显比有限元计算值高，说明实际承台顶层与空气的对流换热系数比计算值大，这一结果与混凝土的现场养护和承台表面风速等一系列因素有关，如表 5所示。

由表 5可知，承台中心测点的现场实测温度在混凝土浇注完成后的第61 h达到最高温度71.6 ℃，有限元计算结果为承台浇注后的第68 h达到最高温度67.4 ℃。承台顶层测点的实测与计算最高温度分别为54.8 ℃和51.6 ℃，出现时间为34 h和38 h。承台底层虽然浇注最早，但由于散热效率很低，实测最高温度在65 h达到最高温度51.1 ℃，计算值在68 h达到48.7 ℃。承台混凝土水化热模拟计算与实测数据从最高温度和最高温出现时间来看都吻合良好，某种程度上也验证了有限元模型的正确性。

(1) 承台冷却效果影响程度由高至低依次为：混凝土入模温度、冷却水管间距、冷却水入水温度、冷却水管层数、冷却水量(足量后)。从冷却效果出发，适当降低混凝土入模温度与冷却水入水温度，减小冷却水管间距都能显著提高承台冷却效果。本研究优化的水管间距可以为大体积混凝土冷却水管布置方案提供参考，其他参数可用于现场，提高承台的冷却效率。

(2) 冷却水未足量时，增大冷却水流量可以有效改善承台温度场，提高承台降温效率；冷却水足量后，增大冷却水流量对承台温度场影响很小。在指导实际工程时，冷却水足量后通过增大冷却水量来提高承台冷却效果的措施不如降低入水温度效果好。但是，入水温度也不宜过低，防止水管附近混凝土形成较大的温度梯度。

(3) 结合山区桥梁承台实例，建立大体积混凝土承台温度场的有限元计算模型，基于影响因素分析的有限元计算结果优化温控方案，优化后承台温度场显著改善，现场应用效果显著，对类似的山区承台温控方案设计和现场施工具有指导意义。