沙溪大橋承臺大體積混凝土溫控分析與施工控制

王 赟

(福建省交通建設工程監理咨詢有限公司，福州 350001)

1 工程概況

沙溪河大橋主橋采用鋼-混凝土混合梁連續鋼構，主橋跨徑布置為100m+176m+176m+100m。 主墩承臺尺寸為16.0m×12.5m×5.5m，采用C35 混凝土，單個承臺方量1100m3，分兩次澆筑，考慮到墩柱預埋鋼筋長度，澆筑分層厚度分為3m、2.5m，示意圖見圖1。

圖1 承臺尺寸示意圖

2 結構建模及計算分析

2.1 冷卻水管布設

承臺第一澆筑層布設2 層冷卻水管， 豎向布置離混凝土面距離分別為100cm、200cm； 第二澆筑層布設2 層冷卻水管，豎向布置離混凝土面距離分別為75cm、175cm；水管水平管間距為100cm，距離混凝土側面50cm；單層1 套水管，管徑φ40mm，每套水管設置一個進出水口，管長小于200m；具體布置示意圖見圖2。

圖2 冷卻水管布設示意圖

2.2 溫度監測點布置

第一層離混凝土底面以上150cm 高度布置測溫點監測內部最高溫度及表面溫度， 離混凝土底面以上250cm 布設測溫點進行校核。 平面布置及測點編號如圖3 和圖4。

圖3 監測層測點布置圖

圖4 校核層測點布置圖

第二層因混凝土厚度較薄， 所以只在混凝土底面以上125cm 高度布置測溫點監測內部最高溫度及表面溫度，布置方式同圖3。

2.3 抗裂安全性評價標準

從兩方面對大體積混凝土抗裂安全性進行評價：一方面是特征溫度控制值，如入模溫度、內部最高溫度及內表溫差等， 可將混凝土溫度仿真計算值及后期實測值與相關規范規程的規定值進行對比分析； 另一方面是抗裂保證率，可間接通過抗裂安全系數的控制標準進行評價。

表1 抗裂安全性評價標準

2.4 結構建模

采用有限元分析軟件MIDAS， 根據結構對稱性，取承臺混凝土1/4 進行溫度應力計算， 網格剖分圖見圖5，相關模型計算參數及控制標準見分別參表2、表3、表4。

圖5 承臺大體積混凝土1/4 網格剖分圖

表2 承臺大體積C35 混凝土配合比(kg/m3)

表3 大體積混凝土物理熱學性能相關計算參數

表4 大體積混凝土邊界條件

2.5 溫度計算分析

在以上設定條件下， 承臺大體積混凝土內部最高溫度及最大內表溫差計算結果見表5， 均符合溫度控制標準。

表5 溫度計算結果

承臺混凝土內部最高溫度包絡圖見圖6。 可見混凝土內部溫度最高，表面溫度較低，溫度控制的核心為“外保內散”。

圖6 承臺大體積混凝土內部最高溫度包絡圖(單位：℃)

選取承臺第一層中心的N：361 點和側面的N：649點，得到溫度時程曲線見圖7。 可見溫度最高點出現在第三天，溫峰后內部溫度降溫較慢，表面溫度降溫較快，最大內表溫差持續增大； 第二層澆筑后內部溫度有一定回升，必要時可進行二次通水。

圖7 承臺第一層混凝土典型點溫度時程曲線

選取承臺第二層中心的N：3002 點和側面的N：2951點，得到溫度時程曲線見圖8。 可見溫度最高點出現在第10 天，溫峰后內部溫度降溫較慢，表面溫度降溫較快，最大內表溫差出現在第二層澆筑完第7 天左右， 圖8 前7天為第一、二層混凝土澆筑時間間隔。

圖8 承臺第二層混凝土典型點溫度時程曲線

2.6 應力計算分析

在以上設定條件下， 承臺大體積混凝土溫度應力計算結果見表6。 由表可知，承臺最小抗裂安全系數為1.41(≥1.4)，抗裂安全性較高。 各澆筑層混凝土早期膨脹，3d應力發展較快，集中于構件上表面，為內表溫差引起的拉應力； 后期混凝土收縮，3d 后有部分應力向構件內部轉移并逐漸發展至穩定水平。

早期混凝土上表面與側面因內表溫差較大存在一定應力集中，需一方面通冷卻水降低混凝土內部溫度，另一方面需加強此部位的保溫養護，降低內表溫差，防止約束累積開裂。

表6 溫度應力計算結果

2.7 計算結果分析及建議

通過計算分析， 可以看出各澆筑層內部最高溫度及內表溫差均、 承臺最小抗裂安全系數均滿足溫度及應力評價標準，可按照預設工況進行施工。

3 施工過程控制

3.1 混凝土澆筑防裂措施

3.1.1 入模溫度控制

通過提前備料、搭設遮雨棚控制骨料溫度，提前備料入場控制膠材溫度，抽取地下水作為拌合水，降低混凝土入模溫度。混凝土澆筑過程中實時監測原材料溫度、入模溫度如表7、表8 所示，入摸溫度均符合≥5℃且≤28℃的溫控標準。

表7 承臺第一層混凝土原材料及入模溫度監測結果

表8 承臺第二層混凝土原材料及入模溫度監測結果

3.1.2 混凝土生產質量控制

(1)混凝土在攪拌機中的攪拌時間(從全部材料裝入攪拌機開始攪拌至攪拌結束開始卸料所用計時)，對于承臺混凝土不宜少于75s。 拌合的混凝土應具有良好的勻質性及粘聚性，確保混凝土入模后不分層、不離析。

(2)每澆筑層澆筑至最后30～50cm 時，將混凝土的坍落度降低至規定的坍落度低限值， 避免混凝土表面浮漿過厚引起的后期收縮不一致而導致混凝土開裂， 同時也有利于減輕鑿毛工作量。

(3)優化分層澆筑厚度：大體積混凝土的分層澆筑厚度可控制在30～50cm 范圍。

(4)混凝土浮漿控制：在保證可泵送的前提下盡量降低混凝土坍落度， 尤其是澆筑至最后30～50cm 混凝土時，混凝土坍落度應調小20mm。

(5) 澆筑間隔期： 各層混凝土澆筑間歇期一般控制在≤7d，最長不宜超過10d。

3.1.3 降低攪拌、運輸、澆筑過程中氣溫影響的措施

(1)對攪拌站料斗、皮帶運輸機、攪拌樓、運輸罐車、泵送管道及其他相關設備全封閉；運輸罐車反復淋水降溫，泵送管道用濕罩布加以覆蓋， 避免陽光照射并反復曬水降溫。

(2)提高混凝土澆筑能力，縮短混凝土暴露時間；縮短混凝土運輸和滯留時間， 混凝土拌和物從加水至入模的最長時間，不超過1.5h。

(3)降低混凝土澆筑倉面的環境溫度。 現場環境溫度高于30℃時，對金屬模板外表面、鄰接的已硬化混凝土噴淋降溫。

(4)當氣溫高于30℃、相對濕度較小或風速較大的環境下澆筑混凝土時， 對澆筑倉面進行噴霧或采取適當擋風措施防止混凝土表面失水過快。

4 溫度監控數據分析

混凝土溫度監測于混凝土澆筑時開始， 截至13d 后各溫度指標趨于穩定后停止監控，監控數據如表9、表10所示。最高溫度出現時間從混凝土開始升溫時間算起。因冷卻水為直取水、溫度較低，混凝土前期降溫較快，超出≦2.0℃/d 的標準；后通過關停調整冷卻水，使降溫速率滿足≦2.0℃/d 的溫控標準。

表9 承臺第一層溫度特征值監測數據

表10 承臺第二層溫度特征值監測數據

第一層、 第二層混凝土溫度特征值發展歷時曲線如圖9、圖10 所示。 可以看出，混凝土升溫較快，混凝土于覆蓋后5～6h 即開始升溫，于35～40h 期間到達溫峰，相較于MIDAS 仿真溫峰提前了1.5d 左右，經分析主要受混凝土緩凝時間過短影響。 溫峰過后在低冷卻水溫的影響下前期降溫速率較快， 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，且表面溫度隨晝夜溫差也相繼出現波動，最大內表溫差出現于降溫初期，后期內表溫差趨于穩定。

圖9 第一層混凝土溫度特征值發展歷時曲線

圖10 第二層混凝土溫度特征值發展歷時曲線

冷卻水通水期間采用直接抽取河水降溫， 出水情況良好， 進出水溫差為5～9℃， 符合升溫期進出水溫差≤10℃的溫控標準。

內部最高溫度、內表溫差、進出水口溫差、降溫速率均滿足《公路橋涵施工技術規范》(JTG/F50-2011)要求。

混凝土澆筑完成后側面帶模養護，經帶模養生3d 后拆模，表觀良好，未發現明顯開裂。 拆模后采用土工布覆蓋。 上表面前期蓄水養護，后期覆蓋土工布并灑水養護。

5 結語

在大體積混凝土施工中，利用MIDAS 軟件對混凝土預設工況進行分析，通過反饋信息，細化原材料質量、配合比優化設計以及混凝土的拌和、運輸、澆筑、振搗、通水冷卻、養護等方面的全過程控制，以達到控制其混凝土質量、混凝土內部最高溫度、混凝土內表溫差及表面約束，從而控制溫度裂縫的形成及發展的目的。

澆筑過程中實時監測氣溫、 原材料溫度及混凝土入模溫度，澆筑完成后實時監測氣溫、混凝土內部溫度、表面溫度、進水溫度及出水溫度，跟蹤混凝土最高溫度及內表溫差，為冷卻水調節、拆模及養護提供依據。