濟南黃河三橋大體積混凝土溫度裂縫控制技術

王業剛 王有志 魯 娜

隨著科技的不斷進步和大跨度斜拉橋的不斷涌現，大體積和高標號混凝土在工程中被廣泛運用，這使得大體積混凝土溫度裂縫的問題更加突出，而且斜拉橋屬于重載作用下的輕型線形結構物，先天性的溫度裂縫將給其留下不小的安全隱患[1，2]。

鑒于目前大體積混凝土研究普遍存在滯后性的缺點，對青銀高速濟南黃河特大斜拉橋進行了研究，采用了數值分析與跟蹤監測技術。在數值分析基礎上，對關鍵部位預埋傳感器，采取與混凝土結構一體化的監測體系，同步感應內部溫度和強度變化，迅速采取相應的溫度防控機制，防止溫度裂縫的形成。

1 工程概況

青銀高速公路濟南黃河大橋位于山東省濟南市東北部，是青島—銀川公路跨越黃河的一座特大橋，同時也是京滬高速公路輔線的關鍵工程之一。大橋全長4 473 m。橋塔采用倒Y形鋼混結構，塔高197 m，爬模施工，塔柱合龍段為雙室截面，連續箱梁為單箱單室截面。施工中采用的混凝土強度等級高，膠材用量大，混凝土絕熱溫升高;多處關鍵部位體積大、一次澆筑混凝土方量多;內外溫差和溫度梯度大，容易產生內外約束裂縫。

2 大體積混凝土關鍵部位仿真分析

2.1 關鍵部位選擇

箱梁0號、1號和1′號塊混凝土同時澆筑，共長 11 m，分兩次澆筑，兩次澆筑方量分別為351 m3和121 m3;倒Y形塔柱合龍段是塔柱關鍵部位，標高從156.8 m～167.7 m，分四節施工，每節3.4 m～4 m不等，實心部位尺寸較大，邊界約束復雜;38號主墩臺是9.75 m×4.0 m矩形斷面，一次澆筑方量混凝土241.4 m3，均屬大體積混凝土。

2.2 計算軟件及參數選擇

采用Midas/Civil對斜拉橋關鍵部位的水化熱過程進行分析計算。各參數的取值是在試驗分析的基礎上，并參照相應公式進行取值，絕熱溫升的試驗結果見圖 1。

2.3 計算結果及分析

1)溫度分析。計算結果表明，塔柱合龍段、箱梁橫隔板和主墩臺分別在120 h，80 h和60 h時溫度達到最大值，分別為63.1℃，82℃和74.2℃。在各構件內均取一核心點，繪制溫度隨時間的變化曲線見圖2。可以看出，曲線近似拋物線，中心點溫度最高，溫升梯度最大的時刻出現在0 h～60 h之間，溫降最大梯度發生在60 h～200 h之間，即溫度快速變化階段，最大內外溫差超過25℃，因此在這一時刻應特別注意采取溫控措施。

2)應力分析。為了詳細分析其應力變化規律，對各構件取內外兩個特征點，繪制其應力時間變化曲線，結果發現有相似的變化規律，0號箱梁橫隔板結果見圖3。

從圖3可以看出，表面拉應力均低于容許張拉應力，但是在邊界溫度過低和初期混凝土強度很低的綜合因素影響下，若措施不當，仍然會出現應力超過混凝土容許拉應力而拉裂。在混凝土澆筑多天后，水分蒸發等引起收縮變形，但在結構邊界條件約束不能自由變形的條件下，內部拉應力也會超過容許拉應力，產生外約束裂縫，這種外約束裂縫和大體積混凝土內部微裂縫的共同作用，往往產生更大的危害;因此必須采用有效的措施以避免溫度裂縫的產生。

3 現場實時跟蹤監測塔柱

3.1 測點布置

根據數值分析結果，在關鍵部位采用跟蹤監測技術，以實現信息化施工。在塔柱合龍段、箱梁橫隔板和墩臺分別布置了30個，36個，24個測點，同時，還對氣溫、冷卻水管的水溫和時間、混凝土的出入倉溫度、澆筑溫度等進行控制，以指導和反饋墩臺、箱梁和塔柱合龍段混凝土的溫控效果。

3.2 實測結果及與計算對比

限于篇幅，圖4僅給出索塔第三層、0號箱梁橫隔板中間列和墩臺第三層代表性點實測曲線，與圖2對比可以看出，模擬結果整體趨勢與實測溫度的整體趨勢一致，內部混凝土溫度分析與實測溫度數值基本吻合，說明施工前期數值分析結果可以作為溫控施工措施安排的有力參照。

4 溫度裂縫控制指標及對策

根據仿真分析結果和工程施工的實際情況，并參照相應規定[4，5]提出以下溫度控制指標:

1)內部溫度與表層溫度之差不大于25℃;2)內部最高溫度不高于75℃;3)入模溫度在25℃以下;4)降溫速率最大不宜超過3℃/d;5)溫度梯度Grad T≤16℃/m;6)拆模后，表面溫度與環境溫度之差不大于15℃。

結合現場實時動態監測數據，按照澆筑前、澆搗中及澆筑后三個不同的階段有所側重的采取了以下溫控措施:

1)采用低水化熱水泥，并采用“雙摻”高性能混凝土技術，從源頭上減少水化熱，降低溫度峰值。2)合理安排澆筑時間，控制混凝土入倉及澆筑溫度。3)分層分塊澆筑，分層厚度1.0 m～3.0 m，在孔洞周圍、轉角等突變處設置溫度配筋。4)按照“外保內降”原則，根據前期計算，合理埋設冷卻水管，由跟蹤監測控制水溫和加水時間。“外保”強調混凝土的合理拆模時間和保溫保濕。

5 結語

1)在黃河三橋大體積混凝土施工中，塔柱合龍段、箱梁橫隔板和主墩臺關鍵部位，最高實測溫度達到75℃，溫差超過20℃。因此，對于斜拉橋施工，大體積混凝土關鍵部位的水化熱問題必須嚴肅對待。2)在施工前期進行仿真分析，既能預測溫度場變化情況，還可以據此制定溫度控制和跟蹤監測方案。對比結果表明，仿真分析為溫控提供了有力參照。3)采用跟蹤監測手段可以隨時掌握施工期混凝土的溫度特征和真實變化規律，及時采取有效的技術措施滿足溫控的指標要求，指導工程施工。4)實踐證明，仿真分析與跟蹤監測技術的結合運用是行之有效的，溫度裂縫控制措施效果良好，塔柱合龍段、0號箱梁橫隔板和主墩臺均未出現有害溫度裂縫，實現了信息化施工，為類似工程提供借鑒和參考。

[1] 胡 永.柳州三門江大橋大體積混凝土溫度控制技術[J].鐵道工程學報，2009(7):62-66.

[2] 秦明強，劉可心，劉毅強，等.某公路大橋南塔承臺大體積混凝土溫度裂縫控制技術[J].施工技術，2008(4):97-99.

[3] 劉 偉，董必欽，李偉文，等.大體積混凝土的溫度應力分析及溫度裂縫研究[J].工業建筑，2008(7):79-81.

[4] CCES 01-2004，混凝土結構耐久性設計與施工指南[S].

[5] Gajda J.Controlling Temperature in Mass Concrete[J].Concrete International，2002(1):59-62.

[6] 黃德強.橋梁大體積混凝土裂縫控制與防止措施[J].山西 建筑，2009，35(1):162-163.