滬通長江大橋承臺大體積混凝土動態設計養護技術研究

李進洲,王遠立

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢　430063)

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滬通長江大橋承臺大體積混凝土動態設計養護技術研究

李進洲,王遠立

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢430063)

摘要：滬通鐵路滬通長江大橋為公鐵兩用橋,針對滬通長江大橋北岸正橋主墩承臺平面尺寸大、混凝土數量多的工程特點,進行大體積混凝土溫控方案設計,計算承臺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出控制有害溫度裂縫的溫控標準和相應的溫控措施,提出“動態設計養護”法。施工實踐表明,設計混凝土最優養護曲線,適時動態調整養護措施,可有效控制承臺大體積混凝土裂縫。

關鍵詞：滬通鐵路；長江大橋；承臺；大體積混凝土；裂縫控制；動態設計養護

1工程概況

滬通長江大橋全長11 076.262 m，大橋北岸為南通市，南岸為張家港，見圖1。滬通長江大橋北岸引橋和北岸正橋(HTQ-1標段)工程范圍為5.066 km，自南接南岸(HTQ-2標)主通航孔斜拉橋(均為沉井基礎)，往北依次為跨橫港沙淺水區21×112 m簡支鋼梁橋、跨天生港(140+336+140) m鋼梁柔性拱專用航道橋、跨長江北大堤2×112 m簡支鋼梁橋，以及長江北大堤外側北引橋[1-3]。

滬通長江大橋北岸正橋主要包括跨橫港沙橋、跨天生港專用航道橋及跨北岸大堤橋。其中，跨橫港沙21×112 m簡支鋼桁簡支梁橋起止墩號為5號～26號墩，跨天生港專用航道橋起止墩號為2號～5號墩，跨北岸大堤橋起止墩號為0號～2號墩。滬通長江大橋北岸正橋承臺主要參數見表1[1]。

圖1　滬通長江大橋橋式概略圖(單位：m)

滬通長江大橋北岸正橋3號、4號主墩承臺為深水區深埋式承臺，采用雙壁鋼套箱圍堰方案施工(圖2(a))。鋼套箱內輪廓尺寸為55.0 m×25.0 m，外輪廓尺寸為58 m×28 m，壁體厚度1.5 m。鋼套箱壁體澆筑圍堰隔倉混凝土。封底混凝土厚度為5 m，封底方量約6 875 m3，一次封底到位。承臺高度為6.5 m，混凝土分兩層(3.0 m+3.5 m)澆筑，鋼筋分兩次綁扎。承臺混凝土采用C45混凝土。

表1滬通長江大橋北岸正橋承臺參數

圖2　滬通長江大橋北岸正橋承臺布置示意(單位：cm)

承臺墩號承臺尺寸/m長寬高單個承臺混凝土數量/m3承臺混凝土強度等級澆筑方式0號墩36.019.24.53114.8C40一次澆筑1號墩38.221.15.04030.5C40分兩層澆筑2、5號墩43.025.05.05383.2C45分兩層澆筑3、4號墩55.025.06.58949.5C45分兩層澆筑6、24號墩43.025.05.05384.5C40分兩層澆筑7～23號墩38.221.15.04030.5C40分兩層澆筑25號墩49.425.05.506806.0C40分兩層澆筑

2號墩緊鄰吹填沙灘，5號墩位于淺水中，采用鋼板樁圍堰施工承臺。承臺平面輪廓尺寸為43.0 m×25.0 m，承臺高度為5 m，分兩層(2.5 m+2.5 m)澆筑，采用C40混凝土(圖2(b))。10～23號墩承臺平面輪廓尺寸均為38.2 m×21.1 m，承臺高度為5.0 m，分兩層澆筑，每層高度2.5 m，采用C40混凝土。

根據設計文件和規范要求，滬通長江大橋北岸正橋主墩承臺屬大體積混凝土，其水化熱量大，施工中應考慮相應的工藝技術措施，需對大體積混凝土溫度進行監測，控制混凝土的內表溫差在25 ℃以內，防止混凝土內表溫差過大產生裂縫。

為防止構件產生裂縫縮短橋梁使用壽命，需對大體積混凝土結構進行合理的溫控設計與控制，以保證混凝土使用壽命和運行安全。針對滬通長江大橋北岸正橋主墩承臺平面尺寸大、混凝土數量多的工程特點，進行了大體積混凝土溫控方案設計，計算了承臺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出控制有害溫度裂縫的溫控標準和相應的溫控措施，提出了“動態設計養護”法。施工實踐結果表明，設計混凝土最優養護曲線，適時動態調整養護措施，有效控制了承臺大體積混凝土裂縫。

2溫控計算與分析

2.1　計算依據與參數的選取

混凝土澆筑后的溫度與水泥的水化熱溫升、混凝土澆筑溫度和澆筑進度、外界氣溫、表面保護等多種因素有關。溫度計算結果的準確性除了選擇恰當的計算方法外，還有賴于與上述因素有關的基本條件和材質參數的正確選取[4-7]。本文溫度計算中用到的水泥水化熱，混凝土配合比、強度、彈性模量及氣溫參數均通過試驗及相關規范資料選取。

(1)混凝土性能

①混凝土配合比

根據表1，滬通長江大橋北岸正橋主墩承臺混凝土設計強度等級為C40和C45兩種，其配合比見表2。

表2　承臺混凝土配合比　kg/m3

②混凝土物理熱學參數

按照《水運工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術規程》(JTS 202-1—2010)，有關承臺混凝土物理熱學參數匯總見表3。

表3　承臺混凝土物理熱學參數

注：混凝土絕熱溫升按水化熱試驗結果折算取值。

根據本工程施工試驗室試驗結果，不同齡期混凝土的彈性模量

(1)

混凝土不同齡期的絕熱溫升

(2)

式中，τ為齡期，d；θ為在齡期τ的絕熱溫升。

(2)溫度初始條件與邊界條件

在不同的日期澆筑混凝土時，應選取不同的氣溫和澆筑溫度。滬通長江大橋橋址區東臨黃海，地處長江河口段中緯度地帶，屬北亞熱帶濕潤季風氣候區，具有氣候溫和、雨水充沛、寒暑干濕變化顯著、四季分明的氣候特征。有關南通市2000～2014年統計氣象數據見表4。

表4　南通市氣象指標

依據當地氣象資料和原材料溫度的經驗數據，按照表2提供的基準混凝土配合比，根據《水運工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術規程》(JTS 202-1—2010，附錄)對不同澆筑月份的混凝土出機口溫度進行估算。考慮采取水泥進場溫度控制、粗骨料遮陽、拌和水冷卻等方式控制原材料溫度：水泥溫度控制低于60 ℃、粉煤灰溫度控制低于35 ℃、拌和水溫度控制低于10 ℃。出機口溫度估算結果見表5。

從表5可以看出，在1月～8月及11月～12月施工，C40/C45混凝土出機口溫度可以控制為12.0～27.5 ℃。

表5　不同月份出機口溫度估算　℃

參考其他工程經驗[4-13]，按照混凝土攪拌車運輸時間20～30 min、振搗時間1 min、日平均最高氣溫25～35 ℃，根據《水運工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術規程》(JTS 202-1—2010)對出機口溫度進行計算(計算方法見附錄A)。計算結果表明：高溫季節施工工藝下，本工程混凝土運輸及澆筑過程中的溫升約2 ℃。則承臺施工的5、6、7、8月份C40/C45混凝土預估澆筑溫度為24.1、26.6、27.6、29.5 ℃。仿真計算時澆筑溫度根據不同月份分別取值。

2.2　溫控計算

(1)計算方法

計算溫度時，由于主墩承臺的厚度與平面尺寸相比較小，可簡化為一維問題計算，但考慮到封底混凝土(墊層混凝土)和下部結構的影響及應力計算的方便，仍采用三維有限元法計算，將溫度場和應力場納入一個統一的網格和程序計算[12]。

計算溫度時，考慮了冷卻水管的作用(承臺每1 m混凝土沿厚度方向布置1層φ32 mm的冷卻水管，冷卻水管水平、豎直間距為1 m)，方法是沿水管取一系列垂直截面，在兩截面間按平面溫度場考慮冷卻水與混凝土之間的熱平衡，算出冷卻水吸熱的溫度上升，得到下一單元的初始水溫，再計算下一單元的混凝土溫度和水溫上升，如此重復計算即可得到每個時段的溫度場。

計算應力時，考慮混凝土彈性模量隨時間的變化；對時間分段取直，取每個時段中點的彈性模量值為該時段的彈性模量，分別計算出每個時段的應力增量后再迭加。第n個時段的應力

(3)

式中，Δσi為第i時段的應力增量。

混凝土具有徐變效應，會隨時間而松弛，其徐變應力

(4)

式中，σ*為t時刻的徐變應力；Δσi為第i時段的彈性應力增量；Kp(t，τ)為松弛系數。

(2)計算工況

計算溫度和應力時均考慮封底混凝土(墊層混凝土)及樁基約束的影響，計算時取基礎彈性模量為3.0×104MPa。

(3)計算承臺溫度時的邊界條件

計算承臺溫度時，對應選取以下3種邊界條件。

①在封底混凝土(墊層混凝土)底面，認為底面溫度等于江水溫度，采用第一類邊界，即

(5)

式中，f(τ)為江水溫度。

②承臺頂面和斜面，采用第三類邊界，即

(6)

式中，T為混凝土表面溫度；Ta為氣溫；β為表面放熱系數，取β=82.2 kJ/m2·h·℃。

③混凝土分層澆筑時，按照第四類邊界處理，即

(7)

2.3　計算結果

按照表1中統計的承臺參數，分別對2號墩、3號墩、13號墩、16號墩和17號墩承臺進行了溫控計算，有關結果如下。

(1)溫度計算特征值

承臺內部最高溫度包絡圖見圖3。

圖3　承臺最高溫度包絡圖(單位：℃)

溫度計算特征值見表6。

表6　溫度計算特征值　℃

注：2號墩為2014年11月至12月澆筑，澆筑溫度按15 ℃計算；3號墩為2014年12月1日至12月31日澆筑，澆筑溫度按10 ℃計算；13號墩為2015年5月初澆筑，澆筑溫度按27 ℃計算；16號墩和17號墩為2015年7月到8月，澆筑溫度按27 ℃計算。

(2)溫度應力計算特征值

承臺溫度應力場計算結果見表7。

2.4　結果分析

從圖3和表6中可以看出混凝土內部溫度較高，混凝土表面及側面自然散熱較慢，混凝土內部熱量靠自然降溫難以釋放，混凝土內部熱量釋放主要依靠冷卻水管作用，應優化中間部位水管布置、升溫期間加強混凝土內部通冷卻水，降溫期控制降溫速率，注意表面保溫。

由表7可以看出，由于溫度升高，混凝土早期各向變形均表現為膨脹變形，混凝土內部應力表現為壓應力，表面應力表現為拉應力，承臺早期(3 d)溫度應力主要集中于上表面；而溫度峰值過后，混凝土處于降溫期時，混凝土開始收縮變形，混凝土拉應力逐漸傳遞到內部，此時混凝土內部應力表現為拉應力，表面應力表現為壓應力，混凝土內部拉應力增大。由此可見混凝土若出現早期開裂，一般裂縫較淺；而后期開裂則很可能是深層裂縫，危害性很大。

圖4　5號墩溫控測點布置(單位：cm)

墩號2號墩3號墩13號墩16號墩和17號墩溫度應力場齡期3d7d28d半年第一層溫度應力/MPa1.211.652.182.12第二層溫度應力/MPa1.331.401.681.51同期劈拉強度試驗值/MPa1.752.483.934.37最小安全系數1.321.51.812.06第一層溫度應力/MPa1.221.452.351.86第二層溫度應力/MPa1.351.061.101.0同期劈拉強度試驗值/MPa1.882.684.214.57最小安全系數1.391.851.792.46第一層溫度應力/MPa1.392.012.902.30第二層溫度應力/MPa1.441.962.181.85同期劈拉強度試驗值/MPa1.882.683.94.57最小安全系數1.311.331.451.99第一層溫度應力/MPa1.451.762.732.22第二層溫度應力/MPa1.471.801.851.63同期劈拉強度試驗值/MPa1.882.684.214.57最小安全系數1.271.491.542.06

根據上面的計算結果，混凝土養護過程按照時間劃分可分為溫升期和降溫期兩個過程，升溫期內部溫升較快、應變增長也快，須及時覆蓋保溫；降溫期雖然溫度降低較慢，但是混凝土收縮效應凸現，混凝土收縮拉應變和降溫拉應變疊加在一起是比較危險的，所以降溫期必須依據溫度應變數據，科學地動態調整養護措施。

3監控指標

現場養護監控的目標是：通過對溫度場及應力場分布的實時監控，為混凝土科學養護提供量化依據，動態調整養護措施，以保證溫度場和應力場分布近似于最優養護曲線，最終達到縮小甚至消除混凝土出現有害裂縫的目的。

一般情況下，需要按照氣溫、混凝土配合比、結構尺寸、約束情況等具體條件確定監控指標[3-12]。根據GB 50496規范要求和本工程的實際情況，對承臺制定溫控標準，見表8。

表8　承臺溫控標準

4溫控方案

根據前面有限元計算數據，分析結構的混凝土溫度場和應力場分布規律，從而判斷混凝土的主控截面和截面主應力方向，科學布置傳感器的分布和安裝方向，制定溫度測點布置方案。

本文分別對0號臺、3號墩、5～7號墩、10號墩和13號墩承臺埋設了溫控傳感器，這里為了節省篇幅僅對5號墩的情況進行描述，其他墩布置均與5號墩類似。

5號墩承臺混凝土第一次澆筑厚為2.5 m，布置3層溫度測點，每層6個。根據承臺結構的對稱性和溫度變化的一般規律，在承臺中心線對稱的1/4區域布設測點，距承臺混凝土底面分別為0.5、1.2、2.0 m。測點布置見圖4。

5動態養護

在養護期間，必須根據監測數據，科學地、動態地調整養護措施，以保證溫度場和應力場分布近似于最優養護曲線，保證裂縫控制的順利實施。當現場所測得的溫控指標接近所設置的溫度警戒值，并有繼續超限的趨勢時，及時調整養護措施。

(1)當內外溫差過大時，應迅速將養護土工布覆蓋好，調整保溫層和覆蓋層的厚度，以此來縮小混凝土內外溫差(圖5)。

圖5　土工布覆蓋

(2)當降溫速率過大時，應及時檢查混凝土表面是否有局部積水現象，表面保溫層是否覆蓋完全，是否存在混凝土表面發白等失水問題，一旦發現必須及時解決。

(3)當局部拉應力過大時，應結合內外溫差、降溫速率等控制指標綜合考慮，找出成因，及時解決。若是環境氣溫下降造成局部拉應變過大，可考慮采取局部加熱措施。

(4)混凝土澆筑至溫峰前承臺冷卻水管必須通最大水流量，盡量削減混凝土溫峰；溫峰過后(以現場測溫數據為準)通水量根據降溫速率進行調整，防止降溫過快引起的混凝土開裂。

圖6　5號墩承臺監測結果

監測數據顯示，實時動態養護效果極佳(圖6和圖7，僅列5號墩的數據)，鑿毛后經查看未發現可見裂縫。上表面采用蓄水養護、確保混凝土內表溫差在25 ℃控制范圍內，避免表面塑性開裂。

圖7　5號墩承臺澆筑、養護、監測

6結語

通過“動態設計養護”法，分別完成滬通長江大橋北岸正橋12個承臺(0～3號墩、5～7號墩、10～13號墩和15號墩)，均達到了預期裂縫控制目標，混凝土拆模后均無明顯裂縫，充分體現了該方法的有效性。“動態設計養護法”之所以能在滬通長江大橋上獲得圓滿成功，主要在于有符合現場實際的有限元計算分析，有行之有效的溫控方案，有科學的動態養護調整，這3個方面落實得越好，該方法的效果越明顯。

參考文獻：

[1]滬通長江大橋建設指揮部.滬通長江大橋指導性施工組織設計[Z].南通：滬通長江大橋建設指揮部，2014.

[2]高宗余.滬通長江大橋主橋技術特點[J].橋梁建設，2014(2)：1-5.

[3]李進洲，王遠立.滬通長江大橋超長鉆孔樁優質PHP泥漿施工技術研究[J].鐵道標準設計，2015(10)：83-91.

[4]魏尊祥，夏興佳，李飛，等.橋梁承臺大體積混凝土溫度場監測與數值分析[J].公路交通科技，2014，31(4)：82-86.

[5]蘇駿，田樂松.大體積混凝土溫控技術及熱工計算[J].安徽理工大學學報:自然科學版，2010，30(2)：5-7.

[6]劉偉.矮塔斜拉橋承臺大體積混凝土水化熱分析與裂縫預防[J].施工技術，2014(12):204-207.

[7]張忠.核反應堆廠房基礎整澆溫度應力有限元分析及測試研究[D].天津：天津大學，2012.

[8]龐健，柏興偉.灌河大橋承臺大體積混凝土溫控措施及監測分析[J].公路交通科技:應用技術版，2014(12)：289-293.

[9]高紀兵，何官健，雷江洪，等.蘇通大橋大體積承臺混凝土溫控研究[J].施工技術，2005(1)：242-246.

[10]劉山洪，高麗，王一，等.大跨PC連續剛構橋大體積混凝土承臺溫控措施研究[J].重慶交通大學學報:自然科學版，2008(11)：888-891.

[11]孫小猛，徐登云.基于多目標優化的大體積混凝土承臺冷卻水管布置研究[J].鐵道標準設計，2014(5)：74-77.

[12]朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制[D].北京：中國水利水電出版社，2012.

[13]張心斌，程大業，等.核電站大體積混凝土裂縫控制及施工技術[M].北京：中國建筑工業出版社，2014.

Study on Dynamic Curing Design of Pile Cap Massive Concrete of Shanghai-Nantong Yangtze River BridgeLI Jin-zhou, WANG Yuan-li

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063, China)

Abstract：Shanghai-Nantong Yangtze River Bridge on Hu-Tong Railway is a combined highway and railway bridge. In the light of characteristics of massive concrete of main span pile cap of Hu-Tong Yangtze River Bridge, temperature control scheme for massive concrete is designed and internal temperature field and simulation stress field are calculated with finite element analysis. Based on calculation results, temperature control standards and measures for preventing harmful cracks are put forward. At the same time, the method of dynamic curing design is presented. Designing optimal concrete curing curve and timely adjusting maintenance measures are effective in controlling cracks of pile cap massive concrete.

Key words：Shanghai-Nantong Railway; Yangtze River Bridge; Pile cap; Massive concrete; Crack control; dynamic curing design

中圖分類號：U445.55+9

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.020

文章編號：1004-2954(2016)02-0093-06

作者簡介：李進洲(1975—)，男，工程師，2013年畢業于中南大學土木工程學院，工學博士，E-mail：Li_jinzhou0910@126.com。

收稿日期：2015-07-05； 修回日期：2015-07-08