金沙江特大橋承臺(tái)及塔座大體積混凝土施工中溫度控制技術(shù)分析

沈 托

(中國(guó)公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100000)

1 工程概況

金沙江特大橋橋梁起點(diǎn)樁號(hào)K96+279，橋梁終點(diǎn)樁號(hào)K96+844，主橋采用340 m+72 m+48 m+32 m獨(dú)塔斜拉橋，上部結(jié)構(gòu)邊跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，中跨采用P-K鋼箱梁；引橋采用2×35 m疊合梁；下部結(jié)構(gòu)采用柱式橋臺(tái)、柱式墩、門架墩、箱型墩，工程采用鉆孔灌注樁為基礎(chǔ)。2#墩承臺(tái)尺寸為17.1×8.1×3.5 m，承臺(tái)頂標(biāo)高+574 m，混凝土標(biāo)號(hào)為C40，方量484.8 m3，采取一次性澆筑；3#主塔承臺(tái)尺寸為37×23.5×5.5 m，承臺(tái)頂標(biāo)高+585 m，混凝土標(biāo)號(hào)為C40，方量4 782.3 m3，澆筑作業(yè)分為兩次。

2 大體積混凝土溫控思路及重難點(diǎn)

2.1 溫控思路

(1)原材料的合理選用及配合比試驗(yàn)，降低混凝土的絕熱溫升及最高溫度峰值。

(2)開(kāi)展混凝土表面保溫措施時(shí)，要考慮到施工季節(jié)、工程實(shí)際環(huán)境、氣候溫度等因素，選擇最為適宜的措施，以使混凝土的內(nèi)外溫差縮小，減小溫度梯度。

(3)為降低混凝土內(nèi)部溫度峰值，對(duì)內(nèi)部的降溫速度進(jìn)行科學(xué)控制，可采用內(nèi)部冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，同時(shí)采用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與智能控制。

(4)將混凝土上下層間的溫差控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，以預(yù)防層間裂縫的產(chǎn)生，避免對(duì)工程后續(xù)工作產(chǎn)生不良影響。

2.2 溫控重難點(diǎn)

本項(xiàng)目地處黔貴川三省交界處，位于昭通，距離四川涼山及貴州六盤水均較近。此地為高原山區(qū)，海拔較高，交通不便，各類材料的運(yùn)輸及采購(gòu)極為不便。常規(guī)溫控需采用冰塊進(jìn)行處理，大體量冰無(wú)法一次性到位，故需較長(zhǎng)的采購(gòu)及運(yùn)輸周期。同時(shí)運(yùn)輸?shù)轿缓笮璨捎帽剀囘M(jìn)行保溫，確保冰塊整體溫度滿足要求方可進(jìn)行大體積混凝土的澆筑，整體費(fèi)用較高，周期較長(zhǎng)，技術(shù)控制較難。

3 材料控制

3.1 水泥

對(duì)于承臺(tái)C40及塔座C50混凝土，為減緩水泥的水化反應(yīng)速度和混凝土早期強(qiáng)度的增長(zhǎng)速度，降低混凝土內(nèi)部的溫升值。

3.2 外加劑

為滿足混凝土澆筑時(shí)長(zhǎng)，可調(diào)整減水劑摻量，適當(dāng)延長(zhǎng)混凝土拌合物的初凝時(shí)間。展開(kāi)減水劑和水泥適應(yīng)性試驗(yàn)，為保證混凝土的有效初凝時(shí)間，將減水劑成分適當(dāng)調(diào)整。優(yōu)選減水率高、性能穩(wěn)定的聚羧酸高效減水劑，控制每方混凝土水泥的用量，以此來(lái)降低混凝土的水化熱溫升。

3.3 粉煤灰

水泥配合比采用Ⅰ級(jí)粉煤灰，以確?；炷恋墓ぷ餍阅堋?/p>

3.4 細(xì)骨料和粗骨料

本工程在選用材料時(shí)應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)：細(xì)骨料含泥量應(yīng)≤3.0%，細(xì)度模數(shù)≥2.5。粗骨料選用5～25 mm連續(xù)級(jí)配碎石。粗骨料含泥量≤1.0%，提前水洗粗骨料。現(xiàn)場(chǎng)試拌混凝土，按粗細(xì)骨料水率的實(shí)際數(shù)據(jù)，在總用水量中扣除，保證實(shí)際水灰比的準(zhǔn)確無(wú)誤。

4 溫控計(jì)算及結(jié)果分析

4.1 計(jì)算參數(shù)及計(jì)算模型

(1)熱學(xué)參數(shù)和力學(xué)參數(shù)

①混凝土的力學(xué)參數(shù)：對(duì)于硅酸鹽水泥配合比混凝土，采用規(guī)范取值。

②混凝土收縮徐變：收縮徐變按Midas/Civil中的中國(guó)公路規(guī)范JTG D62-2015計(jì)算。

③環(huán)境氣溫：環(huán)境氣溫是影響澆筑溫度的一項(xiàng)重要因素，本次溫控計(jì)算將環(huán)境溫度初步設(shè)定在24 ℃。

④混凝土入模溫度：暫取24 ℃～26 ℃為本次計(jì)算混凝土入模溫度。在進(jìn)行承臺(tái)及塔座施工作業(yè)時(shí)，溫度計(jì)算以實(shí)際入模溫度取值。

⑤冷卻水管：江水溫度取24 ℃，升溫階段流量取3 m3/h，降溫階段取1.0 m3/h。溫控過(guò)程中，工作人員需根據(jù)承臺(tái)塔座內(nèi)部溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況，適當(dāng)調(diào)整冷卻水管的進(jìn)水流量及進(jìn)水溫度。

表1 溫控計(jì)算參數(shù)表

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及經(jīng)驗(yàn)，擬采用如下的布置方式：冷卻水管直徑均為40 mm，水平間距為1.0 m。承臺(tái)的第一層厚度布置為3.0 m，第二層厚度布置為2.5 m，塔座的厚度為2.0 m。冷卻水管和頂面的高度間距分別為0.5 m+2 m×1.0 m+0.5 m、0.75+1.0+0.75 m、0.5+1.0+0.5 m。

(2)邊界條件

①對(duì)流邊界：通過(guò)分析設(shè)計(jì)后確定，承臺(tái)和塔座的頂面采用如下保溫措施：鋪設(shè)防雨布、塑料薄膜、土工布各1層；承臺(tái)側(cè)面為：防雨布和土工布各1層，等效換熱系數(shù)取15 kJ/(h·℃)。在具體操作時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整承臺(tái)的表面保溫措施，使保溫措施得以發(fā)揮最佳效果。

②約束邊界：在激活承臺(tái)時(shí)以混凝土澆筑的先后順序進(jìn)行激活，先激活承臺(tái)1層，后激活2層，同時(shí)將實(shí)際的齡期差考慮進(jìn)去展開(kāi)模擬計(jì)算。

③澆筑間隔期：澆筑間隔期10 d。實(shí)際施工時(shí)應(yīng)盡量縮短間隔期。

(3)計(jì)算模型

模型中含墊層混凝土。針對(duì)具體對(duì)象考慮其實(shí)際施工環(huán)境條件、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、混凝土性能以及分層澆筑條件，分別建立有限元模型，確定邊界條件進(jìn)行計(jì)算。

4.2 承臺(tái)的溫控計(jì)算結(jié)果

(1)溫度計(jì)算結(jié)果

表2 溫度計(jì)算結(jié)果

根據(jù)溫度計(jì)算結(jié)果，承臺(tái)第一層混凝土在入模溫度24 ℃條件下，溫峰值為54.1 ℃，里表溫差小于20 ℃。承臺(tái)第二層混凝土在入模溫度24 ℃條件下，溫峰值為55.4 ℃，里表溫差小于20 ℃。塔座混凝土在入模溫度26 ℃條件下，溫峰值為61.8 ℃，里表溫差小于20 ℃。

(2)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

混凝土溫度變化時(shí)，應(yīng)力的變化存在規(guī)律性，主要表現(xiàn)為。

①升溫階段。當(dāng)混凝土內(nèi)部的溫度達(dá)到溫度最高點(diǎn)時(shí)，混凝土表面的拉應(yīng)力相對(duì)比較大。

②降溫階段。混凝土內(nèi)部的壓應(yīng)力會(huì)慢慢轉(zhuǎn)變成拉應(yīng)力。

根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，承臺(tái)第一層混凝土的主拉應(yīng)力、承臺(tái)第二層混凝土的主拉應(yīng)力，塔座第一層混凝土的主拉應(yīng)力分別為見(jiàn)表3所示。

表3 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

5 溫度控制標(biāo)準(zhǔn)及措施

5.1 混凝土溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)目前行業(yè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)結(jié)合本工程溫控?cái)?shù)值模擬計(jì)算，所擬定的主要溫控標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4。

表4 主要溫控標(biāo)準(zhǔn)值

5.2 混凝土溫度控制措施

(1)控制混凝土的入模溫度。在傳熱邊界條件及混凝土配合比相同的前提下，混凝土的入模溫度越高，其溫度的最大值也越高，由此導(dǎo)致的溫度變形、內(nèi)外溫差也會(huì)更大。與此同時(shí)，混凝土的水化反應(yīng)速率和入模溫度呈正比關(guān)系，入模溫度過(guò)高的情況下，會(huì)在混凝土澆筑初期釋放絕大部分水化熱，不利于混凝土溫控。因此，想要實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土的溫度控制，首先需控制降低入模溫度。

(2)合理布置冷卻水管，保證水管布置的科學(xué)性。當(dāng)前承臺(tái)的冷卻水管水平間距為1 m，單個(gè)水管管路長(zhǎng)度小于200 m，與其他類似工程相比，水平范圍內(nèi)的布置形式在合理范圍內(nèi)。

(3)對(duì)于冷卻水管的管路要做到：?jiǎn)为?dú)編號(hào)，獨(dú)立設(shè)置水管開(kāi)關(guān)、流量計(jì)等設(shè)施，以此來(lái)提升后期使用時(shí)的便利性，工作人員可根據(jù)實(shí)際情況及需求隨時(shí)調(diào)整流量。升溫階段通江水，流量取3 m3/h；降溫階段進(jìn)水流量取1.0 m3/h，同時(shí)進(jìn)行冷卻水循環(huán)，對(duì)降溫速度予以控制。在進(jìn)行溫控時(shí)，根據(jù)冷卻水的進(jìn)水溫度及承臺(tái)內(nèi)部溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況，相應(yīng)調(diào)整流量或進(jìn)水溫度。承臺(tái)澆筑后，如因特殊原因，出現(xiàn)冷卻水管無(wú)法及時(shí)通水的情況，應(yīng)將混凝土內(nèi)部和冷卻水的溫差控制在25 ℃以內(nèi)。

(4)做到科學(xué)養(yǎng)護(hù)。應(yīng)在覆蓋塑料薄膜前在混凝土表面澆灑溫水，完成后再進(jìn)行塑料薄膜的覆蓋，要做到覆蓋嚴(yán)密不暴露，減少由于日曬或風(fēng)干時(shí)造成的水分流失。養(yǎng)護(hù)過(guò)程中如發(fā)現(xiàn)混凝土表面干燥缺水，應(yīng)及時(shí)對(duì)塑料薄膜下方適當(dāng)補(bǔ)水，不宜大面積澆水，可以在天氣晴朗，日光充足的氣候下進(jìn)行補(bǔ)水，用以養(yǎng)護(hù)的水溫應(yīng)該高于混凝土的表面溫度。大體積混凝土的保濕養(yǎng)護(hù)時(shí)間應(yīng)在14 d以上。

6 結(jié)論及建議

(1)需準(zhǔn)確預(yù)測(cè)分析混凝土的溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力，科學(xué)定制溫控方案，以防范大體積混凝土產(chǎn)生危害性溫度裂縫，保證大體積混凝土結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量。本文采用的數(shù)值模擬+實(shí)際分析的方法經(jīng)實(shí)踐證明是卓有成效的，值得推廣。

(2)數(shù)值模擬模型的建立需基于實(shí)際施工情況，根據(jù)冷卻水管的位置，合理設(shè)置邊界條件及初始條件，方能針對(duì)實(shí)際施工案例進(jìn)行準(zhǔn)確分析。本文針對(duì)金沙江特大橋案例的承臺(tái)及塔座進(jìn)行專項(xiàng)模擬，根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算得控制參數(shù)，經(jīng)實(shí)踐證明滿足施工要求。

(3)數(shù)值模擬僅能針對(duì)施工材料過(guò)程進(jìn)行模擬，無(wú)法針對(duì)材料初始進(jìn)行模擬，因而這部分需基于經(jīng)驗(yàn)及實(shí)際進(jìn)行研究及探討，方能有機(jī)結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，指導(dǎo)施工。

(4)由于建設(shè)過(guò)程較為倉(cāng)促，無(wú)暇針對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)測(cè)布置。今后若有類似案例，可進(jìn)行溫度及應(yīng)力監(jiān)測(cè)專項(xiàng)布置，用以掌握整個(gè)施工過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化，并與模擬結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，用于進(jìn)一步優(yōu)化方案，指導(dǎo)類似項(xiàng)目的施工。