濱海地區公路橋大跨度連續梁冬季懸澆施工的溫度控制技術

葉亦盛 王增峰

中建三局基礎設施建設投資有限公司 湖北 武漢 430064

1 工程概述

1.1 工程概況

河北省唐山市曹妃甸工業區跨納潮河2#大橋工程位于曹妃甸工業區中部，是連接納潮河南北兩岸的重要交通通道，也是工業區綜合服務區南北向的主要生活性城市橋梁。主橋上部結構采用分離式左右幅預應力混凝土連續梁，全長525 m，七跨一聯（50 m＋5×85 m＋50 m）布置，每幅橋寬16.5 m，中間預留寬13 m軌道交通線路空間，單箱單室直腹板斷面，箱寬8 m，墩頂梁高5 m，跨中梁高2.5 m（圖1）。

1.2 氣候條件

曹妃甸工業區屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，冬季寒冷干燥，盛行偏西北風，平均風速為5.1 m/s，極端最低氣溫－25.7 ℃。經多年氣象資料顯示，曹妃甸地區在冬季最低氣溫在－15～－10 ℃。

2 施工方案設計

2.1 混凝土配合比設計優化

圖1 箱梁截面

箱梁混凝土設計強度等級為C50，水泥采用普通硅酸鹽水泥，摻用以防凍劑-減水劑-早強劑-引氣劑組成的復合外加劑以增加其抗凍能力。在保證主梁混凝土特征穩定的前提下，對混凝土的配比進行優化，將混凝土配合比調整為水泥∶粉煤灰∶礦粉∶砂∶碎石∶水∶減水劑=338∶77∶68∶637∶1 135∶145∶9.7。

2.2 擬采用的保溫方案

根據工程特點及氣候條件，采用蓄熱法、蒸汽加熱法和暖棚加熱法等3種方式，擬采用以下技術方案[1-3]：

1）方案1：箱梁腹板混凝土外側面散熱面為厚1 cm鋼模板＋厚1.5 cm擠塑板＋厚3 cm棉被，同時受外圍熱水管（水管間距25 cm）溫度作用，保證外側溫度為10 ℃；內側面散熱面為厚1 cm鋼模板，上表面采用塑料薄膜＋厚3 cm棉被覆蓋。

2）方案2：箱梁腹板混凝土外側面散熱面為厚1 cm鋼模板＋厚1.5 cm擠塑板＋厚3 cm棉被，同時受外圍熱水管（水管間距25 cm）溫度作用，保證外側溫度達到10 ℃；腹板內側面散熱面為厚1 cm鋼模板，同時箱室內持續通蒸汽，保障箱室內環境溫度為10 ℃，上表面采用塑料薄膜＋厚3 cm棉被覆蓋。

3）方案3：箱梁腹板混凝土外側面散熱面為厚1 cm鋼模板＋厚1.5 cm擠塑板＋厚3 cm棉被，同時受外圍熱水管（水管間距25 cm）溫度作用，保證外側溫度為10 ℃；腹板內側面散熱面為厚1 cm鋼模板，同時箱室內持續通蒸汽，保障箱室內環境溫度為15 ℃；上表面采用塑料薄膜＋厚3 cm棉被覆蓋。

3 仿真模擬計算

3.1 混凝土性能指標

根據相關文獻得出大體積混凝土的熱學性能。箱梁絕熱溫升54.5 K，比熱容0.91 kJ/（kg·K），導熱系數8.9 kJ/（m·h·k），泊松比0.165，線膨脹系數10×10-6K-1，強度增長系數a=4.5、b=0.95、d=1.11，散熱系數根據各方案分別取值。

3.2 箱梁結構模型參數

1）構件尺寸：箱梁1#塊尺寸為（8.000～16.200） m×3.500 m×（4.141～4.519） m。

2）約束條件：箱梁采用懸臂掛籃澆筑，下部無約束，受已澆筑相鄰箱梁約束。

3）分層分塊：箱梁一次澆筑完成。

根據結構對稱性，取箱梁混凝土1/2進行混凝土內部溫度和應力計算（圖2）。

圖2 箱梁1#塊大體積混凝土1/2網格剖分（含0#塊約束條件）

3.3 不同保溫方式對箱梁混凝土裂縫的影響

冬季極端期，不同模板外側保溫措施的大體積箱梁混凝土仿真計算邊界條件如表1所示。其中：

1）環境溫度：冬季極端期箱梁混凝土施工，環境溫度取為－15～0 ℃。

表1 冬季常溫期箱梁大體積混凝土邊界條件

2）入模溫度：冬季施工控制為≥5 ℃，仿真計算取為5 ℃。

3）散熱條件：等效散熱系數可根據文獻[1]中的公式2-3-4、公式2-3-5進行計算。本工程的計算取風速為2 m/s。

根據以上設定的各方案設定條件，冬季常溫期箱梁大體積混凝土內部最高溫度及最大內表溫差結果見表2，并可得到方案1、方案2和方案3內部最高溫度包絡圖（圖3）。

表2 箱梁混凝土內部溫度計算結果

圖3 混凝土內部最高溫度包絡圖

冬季箱梁大體積混凝土應力計算結果見表3。可以看出，方案1、方案2的混凝土3 d最小抗裂安全系數分別為1.31和1.38（＜1.4），存在一定的開裂風險；方案3的混凝土3 d最小抗裂安全系數為1.40（≥1.4），抗裂安全性基本滿足要求。

4 現場實施

1）為保障箱室內外環境溫度可控，現場懸澆梁節段整體采用帆布包裹，帆布周邊間距50 cm各設綁扎帶1條，綁扎帶遠離帆布邊緣30 cm，以確保相鄰帆布綁扎后重疊不漏風。懸臂端端面帆布與順橋向自翼緣板垂落帆布綁扎后形成封閉的保溫空間。為防止大風將帆布刮走或刮壞，帆布內側綁扎帶與掛籃模板綁扎牢固（圖4）。

表3 箱梁混凝土內部應力結果

2）箱梁腹板混凝土外側面散熱面粘貼擠塑板作為保溫層，擠塑板嵌入模板縱橫肋之間；在擠塑板外側以25 cm間距布設熱水循環管道，通過熱水鍋爐進行循環加熱，保持模板外側的溫度。固定擠塑板和熱水循環管道通過φ8 mm鋼筋與模板縱橫肋點焊固定（圖5）。

圖4 掛籃外側帆布整體包裹

圖5 掛籃模板外側嵌擠塑板及 熱水循環管道布設

3）混凝土澆筑選擇在白天溫度較高時段進行，有利于混凝土入模溫度的控制。為確保混凝土在入模前結合面溫度不低于5 ℃，對上一節段懸臂端截面已澆筑混凝土表面用熱水進行澆淋，對梁體模板和鋼筋采用電熱風炮加熱，保證該結合部溫度在5 ℃以上。

4）針對箱梁頂板容易散熱受凍的問題，在頂面先覆蓋一層塑料薄膜，再在其上加裝電熱毯，然后覆蓋棉被，加強頂板部位保溫。

5）在箱室內，采用電蒸汽發生器升溫，根據溫度監測裝置，適時啟動電蒸汽發生器向箱室內輸送蒸汽，確保箱內溫度不低于15 ℃，并保持箱室內溫度基本恒定。

5 溫度監測分析

混凝土澆筑前在箱梁內設置溫度傳感器作為測溫點，測溫點布置在保溫最差部位，以備養護時對梁體混凝土進行溫度監測，即翼緣板左右側各設置1個，頂板中設置1個，底板中設置1個，左右腹板處各設置2個，一組共計8個測溫點（圖6），均采用測溫線，腹板及底板測溫線統一引到箱室內，頂板測溫線由頂板引出。

圖6 箱梁1#塊測溫元件布置示意

箱梁混凝土冬季施工溫度監測數據如表4所示。從監測數據（表4、圖7）可以看出，混凝土入模溫度為8.0～10.9 ℃，符合澆筑溫度≥5 ℃的溫控標準。混凝土澆筑后開始水化升溫，于28 h到達溫峰，內部最高溫度40.7 ℃，符合內部最高溫度≤45 ℃的溫控標準。溫峰過后通過調節冷卻水控制降溫速率為0.3～1.8 K/d，符合降溫速率≤2.0 K /d的溫控標準。箱梁混凝土內表溫差前期隨內部溫度增加而增加，后期隨表面溫度波動而波動，最大內表溫差為20.4 K，符合≤25 K的溫控標準。

表4 箱梁溫度特征值監測數據

圖7 冬季極端期箱梁混凝土監測點溫度歷時曲線

6 結語

實踐證明，唐山納潮河2#大橋冬季施工采取的蒸汽＋熱水管的保溫措施是行之有效的方法。從監測結果來看，溫度監測結果與計算較為吻合，基本滿足溫控標準；從現場情況來看，未出現影響構件安全的可見裂縫，達到了預期的溫控目標，實現了箱梁在極端氣溫條件下的混凝土施工和溫度裂縫的控制，確保了橋梁混凝土結構的質量。