寒冷地區冬期大體積混凝土承臺施工關鍵技術研究

邵俊峰

摘 要：為了保證工程質量，避免溫度裂縫的產生，提出了寒冷地區冬期大體積混凝土承臺施工關鍵技術。結合臨夏雙城至達里加雙城特大橋主橋大體積混凝土承臺在寒冷氣候條件下的施工特點，采用Midas建立了承臺水化熱有限元模型，分析了混凝土澆筑不同時間段的溫度、應力及位移，并以此優化了冷卻管布置方案；提出了利用暖棚保溫法確保承臺在寒冷地區冬期施工的關鍵技術，結果表明該溫控措施效果良好，為類似條件下的大體積混凝土工程施工提供了參考。

關鍵詞：寒冷地區；大體積混凝土；冬期施工；暖棚法

中圖分類號：TU755 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）16-0114-02

大體積混凝土施工過程中因水化熱導致結構物內部溫度升高，若處理不當誘發混凝土出現溫度裂縫，嚴重影響了結構的耐久性和透水性。因此，正確預估大體積混凝土水化熱引起的溫度應力是其施工過程中采取合理控制措施的關鍵。冬期需要對混凝土的拌和、運輸、澆筑及養護等過程進行熱工參數計算，以便采取合適的措施保證工程質量。為保證混凝土質量，避免水化熱產生的溫度裂縫，開展寒冷地區冬期大體積混凝土的施工技術研究具有重要意義。本論文依托臨夏雙城至達里加（甘青界）公路工程雙城特大橋18#承臺，采用Midas建立了承臺有限元模型分析了不同時間段的混凝土的溫度、應力及位移，優化了冷卻管布置方案。針對寒冷地區冬期混凝土施工，提出了暖棚法施工方案，計算了暖棚的總熱量并確定了煤燃料用量及煤爐數量。

1 工程概況

臨夏雙城至達里加（甘青界）公路工程是甘肅省臨夏回族自治州通往青海省循化、西寧的一條重要省際間快速通道。本項目區氣候處于溫帶半濕潤區與高寒陰濕區過渡段，全國公路氣候自然分區中屬于Ⅲ3（甘東黃土山地區）。年平均氣溫1.5-4.8℃，極端最高氣溫30℃，極端最低氣溫-28.5℃。土壤平均開始凍土日期11月下旬，平均解凍日期為翌年3月中下旬。雙城特大橋主橋跨越擬建蘭合鐵路，主橋上部結構采用 52+95+52m 變截面連續箱梁（圖1）。主橋主墩、過渡墩采用群樁承臺基礎，主墩為空心薄壁墩，過渡墩為板式墩；主橋右幅主墩18#承臺長12m、寬7.5m、高3m，混凝土標號C30，承臺底位于原地面以下3.5-4m位置。由于主橋是本項目的關鍵節點工程，為保證工程順利實施，右幅主墩18#承臺進行了冬季施工，保溫采用暖棚內生煤爐的方法。

2 水化熱分析

工程所在區域晝夜溫差大且低溫持續時間長，混凝土內外溫差大極易導致表面開裂，對于大體積混凝土施工極為不利。為了準確掌握混凝土水化熱情況，采用Midas Civil建立有限元模型分析承臺澆筑混凝土后的3d水化熱的溫度及應力分布。科學布置冷卻管對大體積混凝土的施工具有重要意義，該模型的冷卻管的初始布置方案如圖2所示，冷卻管分兩層布設，底層位于承臺底部以上50cm，頂層距離承臺頂面以下50cm位置，兩層冷卻管間距為2.0m；冷卻管采用內徑50mm、壁厚2.5mm的鋼管。為方便監測承臺內部溫度，在澆筑時預留10個Φ10的測溫孔。

2.1 有限元模型的建立

在建模中，如將承臺地基的支承條件采用彈性支撐，則不能描述混凝土的熱量傳遞給地基，與工程實際情況不符，因此有必要將承臺地基視為具有一定比熱和熱傳導率的結構?？紤]到承臺的對稱性，故采用取1/4模型進行建模和分析能有效地提高計算效率，最終建立的模型。

2.2 結果與分析

2.2.1 水化熱溫度

當承臺暖棚內溫度為20℃時，計算了澆筑5h、10h、12h、1d-3d后混凝土水化熱產生的應力?？紤]到該項目處于寒冷地區且在冬季施工，選用了早強抗凍類型的添加劑，因此在澆筑凝固后的5h產生大量的水化熱，內部溫度迅速升高，最大水化熱溫度為49.1℃。從溫度等值線圖可以看出，冷卻鋼管布置初始方案中，頂層、底層鋼管周圍水化熱散熱良好，由于上下層冷卻管間距達2m，中間水化熱較大，故需根據實際情況對冷卻管方案進行優化調整即在承臺中間部位增設一道冷卻管，最大程度地降低承臺核心區域的水化熱溫度，增設的冷卻管采用矩形鋼管。

普通混凝土的導熱系數為1.28W/m.℃，導熱性能較差；且其導熱系數與材料的干濕狀態、孔隙率、混凝土中粗骨料的含量及鋼筋含量等因素有關。鋼板的導熱系數45W/m.℃，導熱能力是混凝土的35倍。為了加快水化熱在混凝土中的傳導性，在矩形管底部焊接一塊寬20cm、厚3mm的導熱鋼板，增強混凝土的導熱能力，通過管道水流將熱量帶走。導熱鋼板焊接時需緊貼矩形管壁，為減小冷卻矩形管、導熱鋼板的變形，采用間斷點焊的方法將兩者固定在一起，點焊距離不大于10cm。同時，為方便矩形鋼管的連接，僅在主管路上焊接導熱板，管路間的連接采用過渡板焊接圓鋼管直角螺絲接頭的方法。各主管路的冷卻矩形鋼管由直角螺絲以圓鋼管連接。為防止施工過程導熱板發生上浮，用間距為50cm的鋼筋卡扣將其焊接固定在承臺的豎向架立鋼筋上。

2.2.2 水化熱應力與位移

承臺混凝土水化熱初期溫度最高達49.1℃，同時體積發生膨脹，承臺長寬比為12/7.5=1.6，受地基及墊層混凝土摩擦力約束，在承臺長邊位置的基礎底部產生了最大壓應力約0.39Mpa；承臺中心頂面產生0.19Mpa拉應力，長邊與短邊相交處頂面發生最大溫度差位移1.3mm。

長邊的底板在初期給地基壓力，后期收縮產生拉力。由于地基、墊層混凝土與承臺存在一定的摩擦力作用，使得底板長短邊相交的直角根部處易出現裂紋。為了釋放地基、墊層混凝土對承臺長邊的約束，安裝側模前，在承臺長邊端頭墊層混凝土上放置雙層油氈隔離層，降低底部的壓應力，減小混凝土開裂的風險。油氈的隔離長度以保證承臺底部接觸地基、墊層混凝土長寬比1.3為宜，承臺長12m、寬7.5m，則油氈隔離長度L=（12-7.5×1.3）/2=1.1m。為防止澆筑混凝土時油氈上浮及偏位，采用鋼釘及墊片將四周固定在墊層混凝土上。

承臺各階段應力、溫度、位移。在混凝土凝固后10h，承臺中心頂面產生最大拉應力0.28Mpa，此時混凝土強度較小，易在頂面產生裂紋；混凝土凝固后3d，混凝土收縮時產生拉應力等于升溫膨脹產生的壓應力（0.28Mpa）處于臨界狀態，混凝土內部不會因應力的不平衡產生裂縫。由此可知，為縮小內外溫差，混凝土澆筑完后的3d內需加強內部冷卻管通水降溫及加強承臺頂面的養生工作。

3 施工暖棚法熱工計算

3.1 暖棚耗熱量

承臺暖棚上尺寸為17.6×13.1m，下尺寸為14×9.5m，基坑深3.6m，基坑周圍為粘土，頂面覆一層厚0.4±0.02mm PVC防雨布。暖棚外大氣環境溫度Ta取-12.5℃，棚內保溫平均溫度Tb取20℃，棚內采用煤爐加熱，煤爐采用Φ58×89×0.5cm圓柱形舊鐵油桶制作，油桶從中間一分為二切割，底部以Φ25鋼筋架空20cm，架空部分割孔以利于清除煤渣及進空氣，煤爐腔室裝煤凈尺寸為Φ57×22cm。

暖棚在單位時間內的總耗熱量按下列公式計算：

承臺基坑四周面積A1=（14+17.6+9.5+13.1）×4.02+（14+7.5）×2=260.9m2，土的傳熱系數K1取0.93（W/m2.K）。基坑頂部PVC防雨布圍護面積A2=17.6×13.1=230.6m2，防雨布厚度0.4mm，導熱系數K2=0.14，其傳熱系數K2= 1/（0.04+0.0004/0.14+0.114）=6.4（W/m2.K）。通過圍護結構各部位的散熱量之和為Q1，在進行本工程計算時，Tb=20℃、Ta=-12.5℃，Q1計算如下：

Q1=∑A×K（Tb-Ta）=（260.9×0.93+230.6×6.4）×[20-（-12.5）]=55851（W）。

通過圍護結構各部位的散熱量之和為Q2，在進行本工程計算時，Q2計算如下：

Q2=V×n×Ca×ρa（Tb-Ta）/3.6

=（17.6×13.1+14×9.5）÷2×3.6×2×1×1.37×[20-（-12.5）]/3.6=16188（W）。

則暖棚在單位時間內的總耗熱量：

Q0=Q1+Q2=55851+16188=72039（W）

3.2 煤燃料用量及煤爐數量配置

經過上述計算，暖棚每小時內的耗熱量為72039W，標準煤的發熱量為29300KJ/kg，煤爐的熱效率考慮為0.7，煤用量按下式計算：

Gp=3.6Q0/Rη

式中：Gp-燃料耗用量（kg/h）；Q0-暖棚總耗熱量（W）；η-加熱器效率；R-燃料發熱量（KJ/kg）。

Gp=3.6Q0η/R=3.6×72039/29300×0.7=12.6kg，經過計算，暖棚每小時需消耗煤12.6kg，一天需要302.4kg。煤爐腔室凈尺寸為Φ57×22cm，煤的堆積密度為600kg/m3，單個煤爐裝煤重量G=3.14×（0.57/2）2×0.22×600= 33.7kg，安排專人一天增添三次煤塊，通過計算，至少需要設置煤爐個數N=302.4/（3×33.7）=3個，現場實際施工時，在承臺基坑暖棚內設置四個煤爐，有效保證了暖棚內溫度。

4 結語

本文針對寒冷地區雙城特大橋主橋右幅18#大體積混凝土冬期施工，采用Midas有限元軟件分析了混凝土水化熱溫度、應力及位移情況，優化了冷卻管布置，利用暖棚法進行冬期承臺混凝土的施工等關鍵技術，其主要結論如下：（1）采用Midas有限元進行了溫度分析，結果表明，因兩層冷卻管層間距較大，中間溫度較高，冷卻管效果較差；通過在中間部位增設一道矩形冷卻管，優化了冷卻管布置方案。（2）通過數值分析表明：長邊的底板初期給地基壓力，后期收縮產生拉力，易在底板長短邊相交的直角根部處產生裂紋，為釋放地基、墊層混凝土對承臺長邊的部分約束，在長邊端頭墊層混凝土上放置雙層油氈隔離層；同時，降低承臺底部接觸地基、墊層混凝土長寬比（1.6降低為1.3）。（3）暖棚保溫措施持續3d后，混凝土拉、壓應力等效，不會在混凝土內部產生裂縫，因此混凝土澆筑完后的3d內，暖棚保溫、冷卻管降溫及混凝土的養生措施必須落實到位。（4）針對承臺采用暖棚保溫的方案，進行了耗熱量、煤燃料用量及保溫煤爐數量配置相關計算，為有效保證暖棚內溫度及施工成本控制提供有利的依據。

參考文獻

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