基于溫度應力分析的轉運平臺大體積混凝土施工優化工藝

董佳鵬，蔡琦

（中交一航局第五工程有限公司，河北 秦皇島 066002）

1 工程概況

國投湄洲灣煤炭碼頭一期工程轉運平臺長39 m，寬33 m，共需澆筑C40混凝土3 349 m3，C40混凝土配合比如表1所列。轉運站平臺采用分區分層澆筑，第一層澆筑至+9.87 m、層高1.17 m，第二層澆筑至+11.0 m、層高1.13 m。圖1為轉運站平臺分區分層澆筑示意圖。由于轉運平臺尺寸較大，混凝土膠凝材料含量較高，施工難度大，極易產生裂縫。

2 轉運站平臺大體積混凝土溫度應力仿真分析

2.1 有限元分析模型的建立

根據轉運平臺設計圖紙尺寸，采用midasCivil建立有限元模型如圖2所示。根據混凝土配合比，轉運平臺混凝土標號為C40，粉煤灰水化熱拆減系數取0.8，經過計算，膠凝材料當量值為439 kg。按照施工組織設計，轉運平臺澆筑順序和時間間隔為一層1區→（4 d）4區→（5 d）2區→（3 d）3區→（7 d） 二層 1區→（2 d）4區→（2 d）2區→（2 d）3區。轉運站平臺大體積混凝土溫度應力仿真分析嚴格按照施工組織設計和現場實際邊界條件進行。

表1 C40混凝土配合比Table1 Mix proportion of concrete C40

圖1 轉運站平臺分區分層澆筑示意圖Fig.1 Sketch of layered and zoned casting for transfer platform

圖2 轉運平臺有限元模型Fig.2 Thefinite element model of transfer platform

2.2 溫度應力仿真分析結果

1）溫度場計算結果

按照實際澆筑順序及時間間隔轉運平臺一層1區仿真計算齡期為4 d。混凝土澆筑完成后第48 h溫度達到最高為61.2℃，溫度場計算結果如圖3和圖4所示。其他區塊溫度場仿真分析結果如表2所列。

圖3 轉運平臺一層1區48 h溫度場Fig.3 Thetemperaturefield at area 1 layer 1 of transfer platform in 48 h

圖4 轉運平臺一層1區48 h溫度場剖面圖Fig.4 Cross-section of thetemperaturefield at area 1 layer 1 of transfer platform in 48 h

表2 轉運平臺大體積混凝土溫度應力仿真分析結果匯總Table 2 Simulating analysis results on temperature stress of transfer platform large volume concrete

2）應力場計算結果

轉運平臺一層1區混凝土澆筑完成后表面SIG-XX應力最大點隨時間變化如圖5所示。其他區塊溫度應力仿真分析結果如表2所列。

圖5 轉運平臺SIG-XX應力最大點隨時間變化圖Fig.5 Variation of the maximum stress point of transfer platform with time

根據文獻[1]、[2]規定，抗裂安全系數K的取值范圍為1.3～1.8。從表2所列抗裂安全系數據可以看出，僅一層4區為1.33勉強符合規范要求，其他各區均不滿足規范規定。因此可以預測，轉運平臺出現裂縫的可能性極大。

3 轉運站平臺大體積混凝土施工工藝的優化

表2中抗裂安全系數值雖然大多數不符合相關規范要求，但與規范規定值也比較接近，因此就有可能通過優化施工工藝來達到減少或防止裂縫出現的目的。

1）優化二次投料法攪拌工藝

目前的二次投料法攪拌工藝是在攪拌混凝土時，是采取先把水、膠凝材料和砂拌和后，再投放粗骨料進行攪拌的工藝。這種攪拌工藝即為二次投料法，也稱為裹砂法。這種二次投料法具有無泌水現象、減少先后澆筑的混凝土強度差的優點。同時還可以有效阻止水分向粗骨料與水泥砂漿面的集中，這樣可使硬化后的混凝土界面過渡層的結構變得更加致密、與粗骨料的黏結力得到提高，從而使混凝土強度提高約10%，同時也提高了混凝土的極限拉伸值。但在本工程實踐中，這種方法會引起一定的拌和水流失，從而導致坍落度損失。為了克服這個缺點，經過多次試拌研究，采取先把70%的拌和水、膠凝材料和砂充分攪拌后，再投放粗骨料，最后加入剩余30%的水進行攪拌的新方法，達到了預期目的。

2）對已澆筑混凝土進行二次振搗

混凝土澆筑完成后，可能因泌水現象在粗骨料、鋼筋界形成空隙，這樣就可能會使混凝土與鋼筋之間的握裹力降低，同時也可能因混凝土沉落而出現裂縫。為了減少混凝土內部微裂縫，提高混凝土的密實度，可以在混凝土初凝前進行二次振搗，這樣可使混凝土抗拉強度提高約10%～20%，從而達到提高混凝土抗裂性的目的。但混凝土的二次振搗必須把握好恰當的時間點，這個時間點是指混凝土振搗后尚能恢復到塑性狀態的時間，這是二次振搗的關鍵。確定恰當的二次振搗時間點的方法，是將運轉著的振搗棒靠其自身的重力逐漸插入混凝土中進行振搗，在振搗棒慢慢拔出時，混凝土仍能自行閉合，同時混凝土不會留下孔洞，此時就可以認為是進行二次振搗的最恰當時間。

3）進一步降低混凝土的入模溫度

降低混凝土入模溫度，采用如下兩種方法：

①拌和水加冰

按照配合比中拌和用水的重量，將50%的拌和水用冰屑來代替[3]。經過實測，混凝土的出機溫度較拌和水未加冰時平均降低了5.1℃。

②早晨澆筑

混凝土澆筑時間選擇在清晨4—5點開始，此時混凝土骨料溫度較白天平均低10℃左右，混凝土入模溫度進一步降低。

4） 充分保溫保濕養護

對混凝土內部溫度進行實時監測，當混凝土內部溫峰過后，降溫速率達到1℃/d時，在混凝土表面首先覆蓋1層無紡布并充分灑水潤濕，然后蓋1層塑料薄膜，最后蓋上土工布和棉被，進行保溫保濕養護。養護工作安排專人負責，以保證養護工作的連續性，實行24 h輪崗工作制。保溫保濕養護持續15 d，保溫層的拆除根據溫度監測情況分層逐步進行。

實踐結果表明，采取了上述施工工藝優化措施后，轉運平臺未出現明顯裂縫。

4 結語

為確保施工質量，在大體積混凝土結構施工前必須進行溫度應力驗算，并根據驗算結果來確定相應的防裂技術措施。如果抗裂安全系數不符合相關規范要求，但與規范規定值也比較接近，就可以通過優化施工工藝來達到防裂的目的。