滬蓉西高速四渡河特大橋重力式錨碇混凝土溫度控制措施

王明鋒　羅志祥

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司　貴陽　550081)

滬蓉西高速四渡河特大橋重力式錨碇混凝土溫度控制措施

王明鋒羅志祥

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司貴陽550081)

摘要以湖北滬蓉西高速公路四渡河特大橋重力式錨碇大體積混凝土施工為例，介紹了為有效地解決大體積混凝土在凝結硬化過程中，水化熱產生較大的溫度變化和收縮作用所形成的溫度收縮應力導致混凝土產生裂縫的問題，采用武漢港灣工程設計研究院開發的“大體積混凝土施工期溫度場及仿真應力場分析程序包”，計算大體積混凝土的內部溫度場及仿真應力場，并根據計算結果，制定錨體不出現有害溫度裂縫的溫控標準和相應的溫控措施，以保證工程質量和延長結構壽命。

關鍵詞大體積混凝土溫控計算溫控措施

四渡河特大橋(懸索橋)跨徑布置為900 m主橋+5×40 m引橋+228.9 m路塹，主橋為900 m單跨雙鉸鋼桁架加勁梁懸索橋，引橋為5×40 m的預應力T梁先簡支后連續剛構，錨碇形式同時采用重力式錨碇和隧道式錨碇。橋面至谷底高差達500 m，橋面縱坡為2.41%，橋高和橋面單斜坡2項數據均居目前世界第一。

四渡河特大橋重力式錨碇錨體采用30號混凝土，錨體混凝土總方量約為2萬m3，屬于大體積混凝土結構，每塊混凝土分層澆筑，各塊之間采用2.5 m后澆段聯結為整體，后澆段澆筑微膨脹混凝土。

1混凝土原材料及配合比

1.1　混凝土原材料

①水泥：采用葛洲壩水泥廠生產的低熱32.5礦渣水泥;②粉煤灰：采用襄樊天鍵公司的I級粉煤灰;③砂：一通機制砂，細度模數3.46;④碎石：福崗料場碎石，粒徑5～31.5 mm;⑤外加劑：武鋼浩源FDN-9000高效減水劑;⑥水：河水。

1.2　混凝土配合比

C30混凝土抗壓強度7 d為27.1 MPa，28 d為46.6 MPa；劈裂抗拉強度3 d為1.2 MPa，7 d為2.1 MPa，14 d為3.6 MPa，28 d為3.8 MPa。C30混凝土配合比見表1。

表1　C30混凝土施工配合比

注：配合比m(水泥)∶m(粉煤灰)∶m(砂)∶m(石)∶m(水)∶m(外加劑)=1∶0.42∶2.5∶3.83∶0.5∶0.01

1.3　混凝土水化熱

試驗得出混凝土水化熱結果，見表2。

表2　混凝土水化熱結果

1.4材料及熱特性值

錨體混凝土標號為C30，材料熱特性根據試驗或經驗取值，見表3。

表3　材料熱特性值

2大體積混凝土溫控計算

溫控計算采用武漢港灣工程設計研究院開發的“大體積混凝土施工期溫度場及仿真應力場分析程序包”進行，計算大體積混凝土的內部溫度場及仿真應力場，并根據計算結果制定錨體不出現有害溫度裂縫的溫控標準和相應的溫控措施。

2.1　錨體混凝土

2.1.1計算條件

(1) 錨碇錨塊由獨立的2塊組成，沿橋軸線對稱，取其中一側的大體積混凝土塊進行1/2計算，計算時未考慮后錨塊。

(2) 錨塊總厚度為23.01 m，最大平面尺寸為25.0 m×17.6 m，分為13層澆筑，錨塊混凝土網格剖分見圖1。

圖1　錨塊混凝土網格剖分圖

(3) 計算時取基巖厚度為5.0 m，彈模取值為3.4×104MPa。

(4) 考慮冷卻水管降溫效果。每層混凝土中沿厚度方向布置直徑25 mm的冷卻水管，冷卻水管水平間距為0.9 m。

(5) 在上層混凝土覆蓋前灑水養護，混凝土四周用木模板養護，拆模后用2層土工布保溫，保溫時間為15 d。

(6) 平均風速按6 m/s考慮。

(7) 考慮徐變對混凝土應力的影響。

2.1.2計算結果及分析

(1) 溫度場主要特征值。混凝土澆筑后，一般在2～3 d即達到峰值，然后緩慢下降，上層混凝土澆筑后下層混凝土的溫度會出現一定程度的升高。由于錨塊混凝土較厚，水化熱很難散發，因此錨塊混凝土中部溫度較高，底部和頂部較低。各層混凝土溫度峰值見表4，最高溫度包絡圖見圖2、最大內表溫差包絡圖見圖3。

表4　各層混凝土溫度峰值　℃

圖2　錨體最高溫度包絡圖(單位：℃)

圖3　錨體最大內表溫差包絡圖(單位：℃)

(2) 溫度應力場主要特征值。混凝土1～13層在不同齡期最大溫度主拉應力見表5，其中28，60 d最大應力包絡圖分別見圖4、圖5。

表5各層混凝土不同齡期最大溫度主拉應力

層次以下齡期(d)的主拉應力/MPa37142860第1層0.710.931.231.221.63第2層0.640.840.680.781.42第3層0.670.901.021.451.95第4層0.820.941.351.602.15第5層0.731.291.271.682.65第6層0.921.271.521.912.66第7層0.710.720.961.161.25第8層0.710.710.871.071.16第9層0.660.700.911.051.16第10層0.710.690.871.100.92第11層0.660.630.841.010.84第12層0.620.620.830.850.63第13層0.690.720.730.760.62

圖4　混凝土28 d最大應力包絡圖(單位：MPa)

圖5　混凝土60 d最大應力包絡圖(單位：MPa)

(3) 主要成果分析。由溫度應力場計算結果可知，各層混凝土溫度、應力均在控制范圍內。根據混凝土劈裂抗拉強度試驗結果，混凝土在各齡期均具有1.5倍以上的抗裂安全系數，因此錨塊混凝土1～13層在施工期內不會出現溫度裂縫。

2.2　底座混凝土

2.2.1計算條件

(1) 底座為高7 m、寬37.7 m、頂面長1 m、底面長5 m的柱體，擬分為3層澆筑，厚度分別為2，2.5，2.5 m，沿橋軸線對稱取1/2進行計算，底座混凝土網格剖分見圖6。

圖6　底座混凝土網格剖分圖

(2) 混凝土澆筑時為9月份，各層混凝土澆筑溫度取值見表6。

表6　各層混凝土澆筑溫度取值　℃

(3) 取基礎彈模為3.4×104MPa。

(4) 考慮冷卻水管降溫效果。混凝土中沿厚度方向布置直徑25 mm的冷卻水管，冷卻水管水平間距為0.9 m。

(5) 在頂層混凝土覆蓋前灑水養護，混凝土四周用木模板養護，拆模后用土工布保溫。

(6) 由當地氣象局根據歷年統計資料來提供氣溫情況，平均風力按6 m/s考慮。

(7) 混凝土強度等級為C30。

(8) 取混凝土最終絕熱溫升為29.2 ℃。

(9) 混凝土線脹系數為6.61×10-6℃-1。

(10) 考慮徐變對混凝土應力的影響。

2.2.2主要計算成果

(1) 溫度場主要特征值。混凝土澆筑后，一般在2～3 d即達到峰值，然后緩慢下降，上層混凝土澆筑后下層混凝土的溫度會出現一定程度的升高。各層混凝土溫度峰值見表7，各層混凝土最高溫度包絡圖見圖7，最大內表溫差包絡圖見圖8。

表7　各層混凝土溫度峰值　℃

圖7底座混凝土最高溫度包絡圖

圖8　底座混凝土最大內表溫差包絡圖

(2) 溫度應力場主要特征值。各層混凝土在不同齡期最大溫度主拉應力見表8，混凝土28,60 d最大應力包絡圖分別見圖9、圖10。

表8　各層混凝土不同齡期最大溫度主拉應力

圖9　混凝土28 d最大應力包絡圖(單位：MPa)

圖10　混凝土60 d最大應力包絡圖(單位：MPa)

(3) 主要成果分析。由溫度應力場計算結果可知，各層混凝土溫度、應力均在控制范圍內。根據混凝土劈裂抗拉強度試驗結果，底座混凝土具有1.5倍以上的安全系數，因此底座混凝土在施工期內不會出現溫度裂縫。

3溫度控制標準

根據計算成果,在施工期內為保證大體積混凝土不出現有害溫度裂縫,宜采取如下溫控標準。

(1) 混凝土內部最高溫度錨體不超過43.3 ℃，底座不超過48.5 ℃。

(2) 混凝土內表溫差不超過20 ℃。

(3) 混凝土澆注溫度不應超過28 ℃。

(4) 混凝土降溫速率不宜超過1.5 ℃/d。

4溫控措施

4.1　優化混凝土配合比，降低水化熱溫升[1]

優化混凝土配合比，盡量降低水泥用量，控制水化熱溫升，是大體積混凝土溫控重要環節。在保證混凝土強度、和易性及坍落度要求的前提下，采取改善粗集料級配、提高摻合料和粗集料的含量、降低水膠比等措施，減少單方混凝土的水泥用量。

4.2　混凝土澆筑溫度的控制[1]

混凝土澆筑溫度最高不得超過28 ℃，否則應采取相應措施。

(1) 混凝土盡量在夜間氣溫較低時澆筑。

(2) 砂石料盡量堆高并采取遮陽措施。

(3) 水泥入場溫度不應超過55 ℃，否則應采取措施，如要求水泥廠家在水泥出廠前放置一段時間，或采取多次倒運的方法降低水泥使用溫度。

(4) 當氣溫高于入倉溫度時，提高澆筑強度，盡量縮短混凝土運輸時間和曝曬時間。

(5) 混凝土泵管外用草袋遮陽，并經常灑水降溫。

(6) 當氣溫超過32 ℃時，采取加冰措施。

當混凝土在冬季氣溫較低澆筑時，混凝土的澆筑溫度不宜低于10 ℃。如氣溫低于0 ℃時，可以采取拌和水加熱等技術措施。

4.3　控制混凝土澆筑間歇期[3]

各層混凝土澆筑間歇期應控制在7 d以內，最長不得超過8 d。為降低老混凝土的約束，要做到薄層、短間歇、連續施工。為防止混凝土出現表面裂縫，其四周必須使用防裂鋼筋網，層與層之間在鑿毛后應鋪設金屬擴張網。

4.4　埋設冷卻水管及其要求

4.4.1水管位置[2]

根據混凝土內部溫度分布特征，需在混凝土中埋設冷卻水管，冷卻水管為直徑25 mm的薄壁鋼管(壁厚為1.2 mm)，其水平間距為0.9 m，冷卻水管距混凝土表面不應大于1.0 m，每根冷卻水管長度不宜超過200 m，冷卻水管進出水口應集中布置，以利于統一管理。

4.4.2冷卻水管使用及其控制[2]

(1) 冷卻水管使用前應進行壓水試驗，防止管道漏水、阻水。

(2) 混凝土澆筑到各層冷卻水管標高后開始通水，各層混凝土峰值過后立即停止通水，通水流量應達到20 L/min，為防止上層混凝土澆筑后下層混凝土溫度的回升，采取2次通水冷卻，通水時間根據測溫結果確定。

(3) 應嚴格控制進出水溫度，在保證冷卻水管進水溫度與混凝土內部最高溫度之差不超過25 ℃條件下，盡量使進水溫度最低。

(4) 待通水冷卻全部結束后，采用同標號水泥漿或砂漿封堵冷卻水管。

(5) 考慮現場實際情況，在山上設置水箱(或水槽)，供冷卻水循環使用，并且在上面搭設遮陽棚。

4.5　內表溫差控制[3]

為了防止混凝土出現溫度裂縫，必須對混凝土進行內表溫差控制。做法如下：每層混凝土澆筑完后，混凝土側面木模板外首先覆蓋2層土工布，覆蓋1層帆布，并適當延長拆模時間，且拆模時間應選擇1天中氣溫較高時段。拆模后0.5 h先覆蓋1層塑料薄膜，再覆蓋2層土工布保溫。每層混凝土頂面鑿毛后應及時進行灑水養護，覆蓋1層薄膜及1層麻袋或者土工布；最后一層混凝土頂面覆蓋1層薄膜及2層土工布保溫，保溫時間可根據測溫結果而定，但不應少于15 d。

5結語

通過以實體工程對大體積混凝土的內部溫度場及仿真應力場的計算，并根據計算結果所得出的不出現有害溫度裂縫的溫控標準：混凝土內部最高溫度錨體不超過43.3 ℃，底座不超過48.5 ℃；混凝土內表溫差不超過20 ℃；混凝土澆注溫度不應超過28 ℃；混凝土降溫速率不宜超過1.5 ℃/d。并在施工中采取優化混凝土配合比，降低水化熱溫升、控制混凝土的澆筑溫度及澆筑的間歇時間、埋設冷卻水管通水降溫等措施，能夠有效地解決大體積混凝土在凝結硬化過程中，水化熱產生較大的溫度變化和收縮作用所形成的溫度收縮應力導致混凝土產生有害裂縫的問題。

參考文獻

[1]JTG/T F50-2011公路橋涵施工技術規范[S].北京：人民交通出版社,2011.

[2]中國建筑工業出版社編輯組.《建筑施工手冊》(混凝土工程)[M].4版.北京：中國建筑工業出版社，2003.

[3]GB 50496-2009大體積混凝土施工規范.北京：中國計劃出版社,2009.

收稿日期：2015-06-07

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.05.008