橋梁工程冬季施工控溫措施及熱工計算

摘要：在冬季對橋梁工程進(jìn)行施工時，根據(jù)《建筑工程冬期施工規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，所謂進(jìn)入冬期施工是指室外日平均氣溫連續(xù)5天穩(wěn)定低于5℃。橋梁工程施工過程中，工程質(zhì)量受到自然氣候的制約和影響，另外為了提高工程建設(shè)的進(jìn)度，進(jìn)而滿足工期的需要，進(jìn)行冬季施工是在所難免的。在冬季施工過程中，如果采取的措施不科學(xué)、不合理，就會影響工程的施工質(zhì)量，進(jìn)而為工程埋下安全隱患。基于此，本文結(jié)合工程施工的實例，就橋梁工程冬季施工的控溫措施及熱工計算進(jìn)行簡要的探討。

關(guān)鍵詞：冬季施工 控溫措施 熱工計算

1 工程概況

沈陽新立堡跨渾河橋工程位于沈陽市市區(qū)東南部，跨越渾河。橋梁主橋為5跨大跨徑變截面連續(xù)箱梁橋，為保證工程按期交付使用，在確保質(zhì)量的前提下完成進(jìn)度要求，我部決定于對主橋8#、9#墩承臺及第一節(jié)墩身進(jìn)行冬季施工。

2 冬季施工的特點

橋梁工程在進(jìn)行冬季施工時，受溫度的影響，其工程質(zhì)量難以保證。

①進(jìn)行冬季施工時，尤其以混凝土工程，受施工條件、施工環(huán)境的影響和制約，在一定程度上提高了工程質(zhì)量事故的數(shù)量。

②冬季施工時，工程項目的質(zhì)量事故通常具有隱蔽性、滯后性等特征，主要表現(xiàn)為：冬季施工時，許多質(zhì)量問題一直到春季才暴露。

③工程項目進(jìn)行冬季施工時，其計劃性和時間性等特征非常強(qiáng)。由于時間短，技術(shù)要求高，造成施工倉促，進(jìn)而引發(fā)質(zhì)量事故。

3 控溫措施及熱工計算

對于整個的沈陽地區(qū)來說冬季長達(dá)5個月，并且氣溫較低，根據(jù)氣象統(tǒng)計資料，沈陽市冬季日間平均氣溫為-8℃左右，夜間平均氣溫-18℃左右，因此必須采取控溫措施。

3.1 控溫措施

3.1.1 施工的總體方案

在施工過程中，根據(jù)施工現(xiàn)場的實際情況，結(jié)合大體積混凝土承臺、墩身的特點。通過采用暖棚蓄熱、蒸汽鍋爐加熱的方法進(jìn)行保溫處理。具體方法：

①為了提高混凝土的澆筑溫度，在冬季施工時，通過搭設(shè)保溫大棚和對砂石料場進(jìn)行預(yù)熱的方式，在源頭控制混凝土原材料的溫度。

②通過燃燒焦碳與鍋爐進(jìn)行配合的方式對攪拌站的用水進(jìn)行加熱處理，通過暖氣排管加熱的方式對承臺大棚進(jìn)行保溫處理，采用熱地壟的方式對砂石料進(jìn)行加熱處理。

③對于通過采用泵送方式進(jìn)行運輸?shù)幕炷粒捎梅篮畾职斔捅煤凸艿赖姆绞竭M(jìn)行保溫處理。

3.1.2 混凝土保溫

在拌合砼過程中，須嚴(yán)格控制配合比及坍落度，投料前，先用熱水或蒸汽沖洗攪拌機(jī)、砼運輸車及泵管，投料順序為骨料、水，攪拌，再加入水泥進(jìn)行攪拌，通常情況下攪拌時間延長50%，控制在2.5min，同時確保混凝土拌和物的出機(jī)溫度超過10℃，并且入模溫度超過5℃。在混凝土澆筑前要對大棚內(nèi)進(jìn)行預(yù)熱，始終保持棚內(nèi)最低溫度不低于10℃。模板、鋼筋經(jīng)過預(yù)熱，表面溫度要不低于5℃，同時架好棚內(nèi)照明和用電線路。

3.1.3 鋼筋的加工、制作

鋼筋連接主要采用機(jī)械連接使用直螺紋套絲的方式進(jìn)行主筋的連接，禁止在保溫大棚內(nèi)采用電焊連接的方式，進(jìn)行主筋的焊接。

承臺、墩身鋼筋及鋼管焊接在鋼筋加工場地進(jìn)行，對于臨時焊接項目小件如預(yù)埋件制作等在施工加工場所進(jìn)行，對于大件物品焊制及鋼筋調(diào)直必須在鋼筋的加工場地。

3.1.4 振搗混凝土

對混凝土進(jìn)行振搗時，為了確保砼的密實度，振搗要到位。密實的標(biāo)準(zhǔn)就是砼不再出現(xiàn)下沉，不再有氣泡出現(xiàn)，混凝土表面呈現(xiàn)平坦、泛漿現(xiàn)象。

3.1.5 混凝土養(yǎng)生

在棚內(nèi)另安放鐵爐子若干個，爐子中的煤炭燃燒將爐內(nèi)的水燒開，利用水蒸氣對結(jié)構(gòu)物進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。保證暖棚內(nèi)溫度在10℃以上，25℃以下。在混凝土養(yǎng)生過程中，如果進(jìn)行下道工序必須臨時開棚時，必須在棚內(nèi)正溫和棚內(nèi)外溫差不大于25℃的前提下，選在當(dāng)天氣溫較高的10點-14點時間進(jìn)行，而且拆除模板時，不可以大面積打開。在大體積混凝土中設(shè)置冷卻降溫管，在承臺、墩身頂部中間位置向兩側(cè)形成90度位置，分別在四邊中間位置均勻設(shè)置4個測溫孔，以此來觀測大體積混凝土的溫度，來調(diào)節(jié)控制冷卻降溫水管的流速，通過該方法控制混凝土內(nèi)外溫升裂縫。

3.2 計算熱工

按照冬季施工的規(guī)范要求，混凝土的出罐溫度高于10℃，入模溫度高于5℃。

冬季對大體積混凝土進(jìn)行施工時，其關(guān)鍵問題就是對混凝土內(nèi)外溫差和溫度變化造成的裂縫進(jìn)行控制。在施工過程中，使用“內(nèi)降”的施工技術(shù)和先進(jìn)的溫度測控技術(shù)。這里所說的內(nèi)降是指，在確保混凝土強(qiáng)度和品質(zhì)的基礎(chǔ)上降低水泥的用量、加入外摻料和外摻劑、降低混凝土入模溫度，分層澆筑、布設(shè)冷卻水管等措施來降低混凝土的內(nèi)部溫升。

3.2.1 計算混凝土溫度

①混凝土的絕熱溫升：

Tmax=■

式中：

Tmax、Q、W、C、γ分別代表：絕熱溫升（在基礎(chǔ)四周無任何散熱條件、無任何熱損耗的條件下，水泥水化后產(chǎn)生的反應(yīng)熱（水化熱）全部轉(zhuǎn)化為溫升后的最高溫度，單位為℃）；水泥水化熱（水化熱為377×103J/kg ，單位J/kg）；每立方米混凝土中水泥的實際用量（kg/m3，水泥用量暫定293kg/m3）；混凝土的比熱J/（kg.k）（值為0.96×103J/（kg.k））；混凝土的表觀密度（kg/m3，值為2400kg/m3）；

將相關(guān)的數(shù)值帶入公式，通過計算：Tmax=47.94℃

由于基礎(chǔ)處于散熱的環(huán)境下，需要對散熱進(jìn)行考慮，通過采用差分法進(jìn)行計算，影響散熱條件的系數(shù)α1=0.78；另外，由于加入了緩凝型外加劑，在一定程度上對溫降產(chǎn)生影響，其影響系數(shù)α2=0.91；

對散熱影響，進(jìn)行綜合取值，系數(shù)：α=α1×α2=0.719

經(jīng)過計算，水化熱Tmax=47.94℃×0.719=34.47℃

②預(yù)算出罐溫度：

T0=■+■

式中：

Cs、Cg、Cc、Cw、Ws、Wg、Wc、Ww、Ts、Tg、Tc、Tw、Qs、Qg分別代表砂的比熱；石的比熱；水泥的比熱；水的比熱；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；砂的溫度；石的溫度；水泥的溫度；水的溫度；砂的含水率；石的含水率。

通常情況下，Cs=Cg=Cc=920J/（Kg.K），Cw=4000J/（Kg.K），按照混凝土配合比，結(jié)合當(dāng)時原材料的估計溫度，通過進(jìn)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℃，滿足相應(yīng)的規(guī)范要求。

③混凝土拌和物從運輸?shù)匠尚偷臏囟?/p>

t′=T0-（at+0.032n）（T0-t5）

其中：

t′、T0、a、t、n、t5分別為混凝土拌和物經(jīng)運輸至成型完成時的溫度；混凝土拌合物的溫度11.01℃；溫度損失系數(shù)，當(dāng)用混凝土輸送泵或混凝土攪拌運輸車時取0.25；混凝土拌和物自運輸至成型完成時的時間（h），取0.5；混凝土轉(zhuǎn)運次數(shù)取1；運輸時的環(huán)境氣溫取-25℃。

將上述數(shù)值代入公式，通過計算，t′=5.51℃，高于5℃，所以滿足相應(yīng)的規(guī)范要求。

在施工過程中，砂、石料、水泥的溫度為5℃，當(dāng)水溫達(dá)到40℃時，通過計算，出罐溫度為11.01℃，運輸后，入模溫度為5.51℃，滿足相應(yīng)的規(guī)范要求。

3.2.2 攪拌站、料場

①基本耗熱量：

Q1= F（ta-tb）/（δ/λ+1/αs）

Q1、δ、λ、αs 、F、ta、tb分別為單位時間內(nèi)耗熱（W/m·℃）；保溫材料厚度（m），取0.01m；熱傳導(dǎo)系數(shù)（W/m·℃），λ= 0.041（W/m·℃）；放熱系數(shù)（W/m2·℃），其值為26.93（W/m·℃）；放熱表面積（m2）；棚內(nèi)溫度（℃）；室外溫度（℃）。

通過計算，1/（δ/λ+1/αs）= 3.56（W/m2·℃）

混凝土生產(chǎn)區(qū)需用熱量：

ta、tb、F、Q混凝土分別為10℃、-25℃、5930m2、492.544千卡/小時。

承臺處需用熱量：

ta、tb分別為20℃、-25℃。

②計算附加耗熱量：

通常情況下，附加耗熱量受到多種因素的影響，其相應(yīng)的取值分別為：

風(fēng)影響Q1×5%；

高度影響Q1×2%；

窗門開啟Q1×10%；

冷材料及人的進(jìn)入Q1×10%；

管道輸送熱損失Q1×10%；

不可預(yù)見Q1×3%；

通過將上述六項相加，便可以得到附加耗熱量Q2的值，經(jīng)過計算Q2=0.4 Q1=197千卡/小時；

③計算輸熱管道損失的熱量：

q=πD2Q；

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

其中，D0、D1、D2分別為輸熱管道外徑、兩層保溫層外徑、采用雙層防寒氈保暖，并且D0=0.026m、D1= 0.046m、D2=0.066m。

其余符號意義同前。

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

輸熱管道長度按100m計算，那么Q3=100q=4.5千卡/小時

④選用加熱鍋爐：

材料保暖及混凝土養(yǎng)生需用蒸汽量：

Q =Q攪拌站+Q附加+Q管道=694.044千卡/小時

需用總蒸汽量W為：W=Q/640=1.085t/h

鍋爐選用：2t鍋爐1臺，蒸汽利用率按75%計算，那么每小時生產(chǎn)的蒸汽量為1.5t，進(jìn)而可以滿足施工的需要。

4 結(jié)束語

受氣候條件的影響，在我國北方冬季持續(xù)的時間比較長，而且氣候條件比較惡劣，在一定程度增加了施工的難度。所以，在冬季惡劣條件下進(jìn)行施工，在進(jìn)行正常的施工同時，施工的防護(hù)措施一定要做好，進(jìn)而確保工程的質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]JGJ104-97，建筑工程冬季施工規(guī)程[S].

[2]鄔曉光，俞向東.橋梁施工技術(shù)[M].西北工業(yè)大學(xué)出版社，1993.

[3]蔣元駒，韓素芳.混凝土工程病害與修補加固[M].海洋出版社，1996.