某長江大橋承臺(tái)大體積混凝土溫度控制與分析
2017-07-31
隨著大跨度橋梁工程的不斷涌現(xiàn)，大體積混凝土在橋梁工程中的應(yīng)用越來越多，如大跨度橋梁的基礎(chǔ)承臺(tái)、懸索橋的重力式錨碇等。同時(shí)，橋梁大體積混凝土的裂縫問題也越來越受到工程界的關(guān)注，在設(shè)計(jì)和施工過程中必須采取一系列有效措施，將裂縫的生成和擴(kuò)展控制到最小程度。為了防控大體積混凝土裂縫的出現(xiàn)，施工前應(yīng)首先優(yōu)化混凝土配合比，降低水泥水化熱，并進(jìn)行仿真模擬計(jì)算分析，驗(yàn)證施工方案的合理性；施工過程中應(yīng)做好混凝土的溫度控制與監(jiān)測，以便及時(shí)采取預(yù)防技術(shù)措施，防止溫升過高、溫差過大等不利情況的出現(xiàn)。該文以某長江大橋主墩承臺(tái)大體積混凝土工程為背景，通過在施工前和施工中采取一系列溫控措施，有效地防控了大體積混凝土溫度裂縫的出現(xiàn)。
1 工程概況
某長江大橋主橋?yàn)殡p塔三索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，主橋全長4657m，橋跨布置為98+196+504+196+98m；其主塔墩下部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)為40根直徑為3.40m的大直徑鉆孔灌注樁，樁頂設(shè)置承臺(tái)，其平面尺寸為 的切角矩形，厚度為5.0m，單個(gè)主墩承臺(tái)合計(jì)澆筑混凝土3300 ，屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，施工工程中，如果在配合比設(shè)計(jì)、溫度控制、澆筑方法、混凝土養(yǎng)護(hù)等方面處理不當(dāng)，會(huì)造成溫差應(yīng)力、收縮等原因形成的裂縫，影響橋梁的使用功能和運(yùn)營安全。
圖1 承臺(tái)構(gòu)造示意圖（單位：mm）
2 有限元模擬
2.1 基本計(jì)算參數(shù)
1）施工資料
承臺(tái)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30，施工時(shí)承臺(tái)分兩層澆筑，二次澆筑高度同為2.5m，兩層混凝土澆筑間隙期為7d， 承臺(tái)混凝土冷卻水管采用壁厚2.5mm、直徑φ32mm的圓鋼管。冷卻水管平面布置如圖2所示。
注：1―冷卻管出水口；2―冷卻管進(jìn)水口；
圖2 冷卻水管布置平面圖（單位：cm）
2）混凝土參數(shù)
承臺(tái)混凝土配合比見表1，C30混凝土物理熱學(xué)參數(shù)見表2
表1 承臺(tái)C30混凝土配合比
水泥 粉煤灰 砂 石 水 外加劑
283 71 750 1126 170 2.83
表2 C30混凝土物理熱學(xué)參數(shù)
最終彈性模量/Mpa 導(dǎo)熱系數(shù)
密度
熱脹系數(shù)
比熱
絕熱溫升/
9.7 2400
1.0 35
2.2 模型的建立
采用通用有限元程序ANSYS對(duì)主墩承臺(tái)大體積混凝土水化熱溫度場進(jìn)行數(shù)值分析。考慮結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，取1/4實(shí)體建模，混凝土采用solid70單元模擬，水冷管采用fluid116單元模擬，水冷管與混凝土之間的熱對(duì)流采用Surf152單元模擬。網(wǎng)格劃分如圖2所示，水管單元周圍單元進(jìn)行加密， 有限元模型的邊界條件按如下考慮：1/4模型對(duì)稱面取為絕熱邊界；承臺(tái)混凝土的初始溫度取為澆筑時(shí)的入模溫度10℃，冷卻水入口溫度為12℃；流量取1.5m3/h，水管通水時(shí)間設(shè)為18天，承臺(tái)底部按第一類邊界條件處理，取為施工期平均氣溫15℃；承臺(tái)混凝土與空氣的接觸面則采用第三類邊界條件。
圖3 承臺(tái)網(wǎng)格劃分
2.3 計(jì)算結(jié)果分析
圖4 混凝土最大溫升隨齡期變化曲線
圖5 無冷管承臺(tái)結(jié)構(gòu)溫度場分布（3d）
圖6 有冷管承臺(tái)結(jié)構(gòu)溫度場分布（3d）
混凝土內(nèi)部最大溫升隨齡期變化如圖4所示，齡期為3天時(shí)無冷管和有冷管承臺(tái)結(jié)構(gòu)溫度場分布如圖5和圖6所示。結(jié)果表明，無冷卻水管降溫的承臺(tái)澆注后的最高溫度達(dá)到44.77℃，表面與內(nèi)部的最大溫差已接近30℃。冷卻水管通水流量為1.5m3/h時(shí)，承臺(tái)澆注后的最高溫度達(dá)到36.8℃，表面與內(nèi)部的最大溫差為21.8℃，有冷卻水管模型相比于無冷卻水管模型，前者最高溫度比后者低8℃，說明冷卻水管降溫效果顯著，因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)混凝土內(nèi)外溫差是否小于25℃來確定冷卻水管的通水流量和進(jìn)出水口溫差。
從圖4可以看出，承臺(tái)內(nèi)部最高溫度出現(xiàn)雙峰值現(xiàn)象，主要是由于分層澆筑時(shí)間間隔引起的，兩層之間會(huì)有熱交換，下層澆注完成后七天澆注上層，下層的溫度會(huì)因?yàn)閮蓪又g的熱傳導(dǎo)而升高，第一次和第二次澆筑溫峰出現(xiàn)時(shí)間均為澆筑后第2～3d。
3 現(xiàn)場溫度控制技術(shù)措施
大體積混凝土溫控是對(duì)混凝土質(zhì)量的全面控制。由于大體積混凝土裂縫控制的復(fù)雜性和施工過程中的不確定性，為達(dá)到溫控標(biāo)準(zhǔn)的要求，現(xiàn)場需采取一系列溫控措施進(jìn)行有效監(jiān)控，包括混凝土配合比優(yōu)化，澆筑溫度的控制，混凝土拌合、運(yùn)輸、澆筑、振搗到通水、養(yǎng)護(hù)、保溫每個(gè)施工環(huán)節(jié)。
3.1合理選擇混凝土原材料、優(yōu)化混凝土配合比
優(yōu)選材質(zhì)，提高普通混凝土的抗拉性能；應(yīng)用微膨脹外加劑，改善混凝土的收縮性質(zhì)；選用有效的緩凝高效減水劑和粉煤灰，提高大體積混凝土的和易性，減少水化熱，本工程中選用的是黃石華新P.O42.5礦渣水泥，采用 級(jí)粉煤灰，F(xiàn)DN-5高效減水劑，選用堅(jiān)固耐久、級(jí)配良好的5～26.5mm的碎石，采用細(xì)度模數(shù)為2.7的中砂。在保證混凝土具有良好工作性的情況下，應(yīng)盡可能地降低混凝土的單位用水量，采用“三低（低砂率、低坍落度、低水膠比）雙摻（摻高效減水劑和高性能引氣劑）一高（高粉煤灰摻量）”的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，生產(chǎn)出高強(qiáng)、高韌性、中彈、低熱和高抗拉性能的抗裂混凝土。
3.2 施工控制措施 在承臺(tái)大體積混凝土施工過程中，從混凝土拌和、運(yùn)輸、澆筑到保溫養(yǎng)護(hù)整個(gè)過程實(shí)施全程有效監(jiān)控，特別對(duì)混凝土分層、澆筑溫度和養(yǎng)護(hù)進(jìn)行嚴(yán)格控制，保證混凝土施工質(zhì)量。
?。?）混凝土分層施工。根據(jù)混凝土生產(chǎn)能力、運(yùn)輸條件等因素，將承臺(tái)混凝土分2層澆筑，每層澆筑2.5m，控制各層混凝土澆筑間隙期為7天左右。
?。?）降低混凝土入模溫度。澆筑溫度根據(jù)不同的季節(jié)施工要求均作了明確的控制要求，混凝土夏季最高入模溫度控制在30 ，混凝土冬季最低入模溫度控制在10 ，通過測定水泥、砂、石、水的溫度，估算出機(jī)溫度和澆筑溫度，在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，盡量降低混凝土的澆筑溫度，降低入模溫度是控制溫度峰值的最有效措施之一。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，提前將砂石料灑水并搭設(shè)遮陽棚來降低原材料的溫度，通過冷卻水拌和降低混凝土出機(jī)溫度。
（3）加強(qiáng)保溫措施。在澆筑大體積混凝土?xí)r，應(yīng)在室外氣溫較低時(shí)進(jìn)行，澆筑后的大體積混凝土應(yīng)采取保溫措施以減少內(nèi)表溫差。早期供水養(yǎng)護(hù)可及時(shí)抑制混凝土的早期自收縮。在混凝土達(dá)到初凝后，必須立即用塑料薄膜和草袋覆蓋，防止大風(fēng)和陽光曝曬，使表面水分劇裂蒸發(fā)，形成混凝土上部和下部硬化速度不均和差異收縮。因此采用可帶模供水的內(nèi)襯憎水塑料鋼模板或透水模板。保溫養(yǎng)護(hù)要及時(shí)、充分。環(huán)境溫度較低時(shí)，如果不采取適當(dāng)?shù)谋仞B(yǎng)護(hù)措施，容易產(chǎn)生冷縮裂縫。根據(jù)要求，大體積混凝土內(nèi)外溫差、表面與環(huán)境溫差應(yīng)控制在20 以內(nèi)，施工中執(zhí)行“外保內(nèi)散”的養(yǎng)護(hù)措施，即一方面在混凝土體內(nèi)埋設(shè)冷卻水管，一方面在混凝土表面蓋一定厚度的濕麻袋，予以保溫并避免表面水分的過快蒸發(fā)。
3.3 合理埋設(shè)冷卻水管
在承臺(tái)混凝土內(nèi)部埋設(shè)冷卻水管，通過流動(dòng)的冷卻水將散熱條件不佳的混凝土內(nèi)部熱量帶出，降低混凝土內(nèi)部溫度。同時(shí)埋設(shè)溫度傳感器，進(jìn)行溫度監(jiān)測，保證承臺(tái)混凝土水化熱溫差符合規(guī)范要求在25℃以內(nèi)，冷卻水進(jìn)出口溫差不超過6℃，并根據(jù)實(shí)際情況，及時(shí)調(diào)整水溫或流量，防止水管周圍溫度裂縫的產(chǎn)生。冷卻水管采用壁厚2.5mm、直徑φ32mm的圓鋼管。分兩層按蛇形布置（如圖2所示），水平間距1m，豎向?qū)娱g間距2.0m，冷卻管距混凝土邊緣為0.5m?；炷翝仓泻蜐仓箝_啟水循環(huán)散熱，根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果通水流量取1.5m3/h，冷卻水與混凝土之間的溫度差限制在22℃以內(nèi)，利用轉(zhuǎn)換裝置，每天更換一次通水方向，力求均勻冷卻。冷卻完畢后冷卻管內(nèi)壓入與混凝土同標(biāo)號(hào)的水泥凈漿灌實(shí)。
4 主要結(jié)論
（1）本文分別考慮有冷卻水管和無冷卻水管作用，建立實(shí)體有限元模型，對(duì)大體積混凝土承臺(tái)進(jìn)行施工期水化熱溫度場分析，通過分析比較，結(jié)果表明設(shè)置冷卻水管降溫效果顯著。其計(jì)算結(jié)果可以用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工，為大體積混凝土施工制定合理的溫度控制方案提供依據(jù)。
?。?）制定合理的溫控措施，是防止大體積混凝土出現(xiàn)裂縫的重要保障，該長江大橋主橋橋墩承臺(tái)大體積混凝土施工，由于采取了較為先進(jìn)的設(shè)計(jì)和嚴(yán)格合理的溫控方案，承臺(tái)無開裂現(xiàn)象，施工質(zhì)量良好，滿足規(guī)范要求。
（3）大體積混凝土溫度控制與防裂是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，施工前優(yōu)化混凝土配合比，控制混凝土澆筑溫度，采取合理的施工工藝，施工中的溫控措施，冷卻降溫措施、
養(yǎng)護(hù)保溫條件等均對(duì)后期混凝土的內(nèi)外溫差和抗裂性能有重要影響。
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