桥梁工程冬季施工控温措施及热工计算

摘要：在冬季对桥梁工程进行施工时，根据《建筑工程冬期施工规程》的相关规定，所谓进入冬期施工是指室外日平均气温连续5天稳定低于5℃。桥梁工程施工过程中，工程质量受到自然气候的制约和影响，另外为了提高工程建设的进度，进而满足工期的需要，进行冬季施工是在所难免的。在冬季施工过程中，如果采取的措施不科学、不合理，就会影响工程的施工质量，进而为工程埋下安全隐患。基于此，本文结合工程施工的实例，就桥梁工程冬季施工的控温措施及热工计算进行简要的探讨。

关键词：冬季施工 控温措施 热工计算

1 工程概况

沈阳新立堡跨浑河桥工程位于沈阳市市区东南部，跨越浑河。桥梁主桥为5跨大跨径变截面连续箱梁桥，为保证工程按期交付使用，在确保质量的前提下完成进度要求，我部决定于对主桥8#、9#墩承台及第一节墩身进行冬季施工。

2 冬季施工的特点

桥梁工程在进行冬季施工时，受温度的影响，其工程质量难以保证。

①进行冬季施工时，尤其以混凝土工程，受施工条件、施工环境的影响和制约，在一定程度上提高了工程质量事故的数量。

②冬季施工时，工程项目的质量事故通常具有隐蔽性、滞后性等特征，主要表现为：冬季施工时，许多质量问题一直到春季才暴露。

③工程项目进行冬季施工时，其计划性和时间性等特征非常强。由于时间短，技术要求高，造成施工仓促，进而引发质量事故。

3 控温措施及热工计算

对于整个的沈阳地区来说冬季长达5个月，并且气温较低，根据气象统计资料，沈阳市冬季日间平均气温为-8℃左右，夜间平均气温-18℃左右，因此必须采取控温措施。

3.1 控温措施

3.1.1 施工的总体方案

在施工过程中，根据施工现场的实际情况，结合大体积混凝土承台、墩身的特点。通过采用暖棚蓄热、蒸汽锅炉加热的方法进行保温处理。具体方法：

①为了提高混凝土的浇筑温度，在冬季施工时，通过搭设保温大棚和对砂石料场进行预热的方式，在源头控制混凝土原材料的温度。

②通过燃烧焦碳与锅炉进行配合的方式对搅拌站的用水进行加热处理，通过暖气排管加热的方式对承台大棚进行保温处理，采用热地垄的方式对砂石料进行加热处理。

③对于通过采用泵送方式进行运输的混凝土，采用防寒毡包裹输送泵和管道的方式进行保温处理。

3.1.2 混凝土保温

在拌合砼过程中，须严格控制配合比及坍落度，投料前，先用热水或蒸汽冲洗搅拌机、砼运输车及泵管，投料顺序为骨料、水，搅拌，再加入水泥进行搅拌，通常情况下搅拌时间延长50%，控制在2.5min，同时确保混凝土拌和物的出机温度超过10℃，并且入模温度超过5℃。在混凝土浇筑前要对大棚内进行预热，始终保持棚内最低温度不低于10℃。模板、钢筋经过预热，表面温度要不低于5℃，同时架好棚内照明和用电线路。

3.1.3 钢筋的加工、制作

钢筋连接主要采用机械连接使用直螺纹套丝的方式进行主筋的连接，禁止在保温大棚内采用电焊连接的方式，进行主筋的焊接。

承台、墩身钢筋及钢管焊接在钢筋加工场地进行，对于临时焊接项目小件如预埋件制作等在施工加工场所进行，对于大件物品焊制及钢筋调直必须在钢筋的加工场地。

3.1.4 振捣混凝土

对混凝土进行振捣时，为了确保砼的密实度，振捣要到位。密实的标准就是砼不再出现下沉，不再有气泡出现，混凝土表面呈现平坦、泛浆现象。

3.1.5 混凝土养生

在棚内另安放铁炉子若干个，炉子中的煤炭燃烧将炉内的水烧开，利用水蒸气对结构物进行养护。保证暖棚内温度在10℃以上，25℃以下。在混凝土养生过程中，如果进行下道工序必须临时开棚时，必须在棚内正温和棚内外温差不大于25℃的前提下，选在当天气温较高的10点-14点时间进行，而且拆除模板时，不可以大面积打开。在大体积混凝土中设置冷却降温管，在承台、墩身顶部中间位置向两侧形成90度位置，分别在四边中间位置均匀设置4个测温孔，以此来观测大体积混凝土的温度，来调节控制冷却降温水管的流速，通过该方法控制混凝土内外温升裂缝。

3.2 计算热工

按照冬季施工的规范要求，混凝土的出罐温度高于10℃，入模温度高于5℃。

冬季对大体积混凝土进行施工时，其关键问题就是对混凝土内外温差和温度变化造成的裂缝进行控制。在施工过程中，使用“内降”的施工技术和先进的温度测控技术。这里所说的内降是指，在确保混凝土强度和品质的基础上降低水泥的用量、加入外掺料和外掺剂、降低混凝土入模温度，分层浇筑、布设冷却水管等措施来降低混凝土的内部温升。

3.2.1 计算混凝土温度

①混凝土的绝热温升：

Tmax=■

式中：

Tmax、Q、W、C、γ分别代表：绝热温升（在基础四周无任何散热条件、无任何热损耗的条件下，水泥水化后产生的反应热（水化热）全部转化为温升后的最高温度，单位为℃）；水泥水化热（水化热为377×103J/kg ，单位J/kg）；每立方米混凝土中水泥的实际用量（kg/m3，水泥用量暂定293kg/m3）；混凝土的比热J/（kg.k）（值为0.96×103J/（kg.k））；混凝土的表观密度（kg/m3，值为2400kg/m3）；

将相关的数值带入公式，通过计算：Tmax=47.94℃

由于基础处于散热的环境下，需要对散热进行考虑，通过采用差分法进行计算，影响散热条件的系数α1=0.78；另外，由于加入了缓凝型外加剂，在一定程度上对温降产生影响，其影响系数α2=0.91；

对散热影响，进行综合取值，系数：α=α1×α2=0.719

经过计算，水化热Tmax=47.94℃×0.719=34.47℃

②预算出罐温度：

T0=■+■

式中：

Cs、Cg、Cc、Cw、Ws、Wg、Wc、Ww、Ts、Tg、Tc、Tw、Qs、Qg分别代表砂的比热；石的比热；水泥的比热；水的比热；每立方米混凝土中砂的用量；每立方米混凝土中石的用量；每立方米混凝土中水泥的用量；每立方米混凝土中水的用量；砂的温度；石的温度；水泥的温度；水的温度；砂的含水率；石的含水率。

通常情况下，Cs=Cg=Cc=920J/（Kg.K），Cw=4000J/（Kg.K），按照混凝土配合比，结合当时原材料的估计温度，通过进行分析得：

Ws=681kg，Wg=1112kg，Wc=293kg，Ww=149kg，Qs=3.2%，Qg=0.5%，Tg=5℃，Ts=5℃，Tc=5℃，Tw=40℃，

得出：T0=11.01℃，大于10℃，满足相应的规范要求。

③混凝土拌和物从运输到成型的温度

t′=T0-（at+0.032n）（T0-t5）

其中：

t′、T0、a、t、n、t5分别为混凝土拌和物经运输至成型完成时的温度；混凝土拌合物的温度11.01℃；温度损失系数，当用混凝土输送泵或混凝土搅拌运输车时取0.25；混凝土拌和物自运输至成型完成时的时间（h），取0.5；混凝土转运次数取1；运输时的环境气温取-25℃。

将上述数值代入公式，通过计算，t′=5.51℃，高于5℃，所以满足相应的规范要求。

在施工过程中，砂、石料、水泥的温度为5℃，当水温达到40℃时，通过计算，出罐温度为11.01℃，运输后，入模温度为5.51℃，满足相应的规范要求。

3.2.2 搅拌站、料场

①基本耗热量：

Q1= F（ta-tb）/（δ/λ+1/αs）

Q1、δ、λ、αs 、F、ta、tb分别为单位时间内耗热（W/m·℃）；保温材料厚度（m），取0.01m；热传导系数（W/m·℃），λ= 0.041（W/m·℃）；放热系数（W/m2·℃），其值为26.93（W/m·℃）；放热表面积（m2）；棚内温度（℃）；室外温度（℃）。

通过计算，1/（δ/λ+1/αs）= 3.56（W/m2·℃）

混凝土生产区需用热量：

ta、tb、F、Q混凝土分别为10℃、-25℃、5930m2、492.544千卡/小时。

承台处需用热量：

ta、tb分别为20℃、-25℃。

②计算附加耗热量：

通常情况下，附加耗热量受到多种因素的影响，其相应的取值分别为：

风影响Q1×5%；

高度影响Q1×2%；

窗门开启Q1×10%；

冷材料及人的进入Q1×10%；

管道输送热损失Q1×10%；

不可预见Q1×3%；

通过将上述六项相加，便可以得到附加耗热量Q2的值，经过计算Q2=0.4 Q1=197千卡/小时；

③计算输热管道损失的热量：

q=πD2Q；

Q=（ta-tb）/（D2/2λ1ln（D1/D0）+D2/2λ2ln（D2/D1）+1/αs）

其中，D0、D1、D2分别为输热管道外径、两层保温层外径、采用双层防寒毡保暖，并且D0=0.026m、D1= 0.046m、D2=0.066m。

其余符号意义同前。

ta、tb、λ1=λ2、Q、q=πD2Q分别为150℃、-20℃、0.041 W/m·℃、216.3卡/m2、0.045千卡/m。

输热管道长度按100m计算，那么Q3=100q=4.5千卡/小时

④选用加热锅炉：

材料保暖及混凝土养生需用蒸汽量：

Q =Q搅拌站+Q附加+Q管道=694.044千卡/小时

需用总蒸汽量W为：W=Q/640=1.085t/h

锅炉选用：2t锅炉1台，蒸汽利用率按75%计算，那么每小时生产的蒸汽量为1.5t，进而可以满足施工的需要。

4 结束语

受气候条件的影响，在我国北方冬季持续的时间比较长，而且气候条件比较恶劣，在一定程度增加了施工的难度。所以，在冬季恶劣条件下进行施工，在进行正常的施工同时，施工的防护措施一定要做好，进而确保工程的质量。

参考文献：

[1]JGJ104-97，建筑工程冬季施工规程[S].

[2]邬晓光，俞向东.桥梁施工技术[M].西北工业大学出版社，1993.

[3]蒋元驹，韩素芳.混凝土工程病害与修补加固[M].海洋出版社，1996.

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