金沙江特大橋承臺及塔座大體積混凝土施工中溫度控制技術(shù)分析

沈 托

(中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100000)

1 工程概況

金沙江特大橋橋梁起點樁號K96+279，橋梁終點樁號K96+844，主橋采用340 m+72 m+48 m+32 m獨塔斜拉橋，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、柱式墩、門架墩、箱型墩，工程采用鉆孔灌注樁為基礎(chǔ)。2#墩承臺尺寸為17.1×8.1×3.5 m，承臺頂標高+574 m，混凝土標號為C40，方量484.8 m3，采取一次性澆筑；3#主塔承臺尺寸為37×23.5×5.5 m，承臺頂標高+585 m，混凝土標號為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

2.1 溫控思路

(1)原材料的合理選用及配合比試驗，降低混凝土的絕熱溫升及最高溫度峰值。

(2)開展混凝土表面保溫措施時，要考慮到施工季節(jié)、工程實際環(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，對內(nèi)部的降溫速度進行科學(xué)控制，可采用內(nèi)部冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，同時采用監(jiān)測系統(tǒng)對溫度進行實時監(jiān)控與智能控制。

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

2.2 溫控重難點

本項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，各類材料的運輸及采購極為不便。常規(guī)溫控需采用冰塊進行處理，大體量冰無法一次性到位，故需較長的采購及運輸周期。同時運輸?shù)轿缓笮璨捎帽剀囘M行保溫，確保冰塊整體溫度滿足要求方可進行大體積混凝土的澆筑，整體費用較高，周期較長，技術(shù)控制較難。

3 材料控制

3.1 水泥

對于承臺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度的增長速度，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長，可調(diào)整減水劑摻量，適當(dāng)延長混凝土拌合物的初凝時間。展開減水劑和水泥適應(yīng)性試驗，為保證混凝土的有效初凝時間，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級粉煤灰，以確保混凝土的工作性能。

3.4 細骨料和粗骨料

本工程在選用材料時應(yīng)符合標準：細骨料含泥量應(yīng)≤3.0%，細度模數(shù)≥2.5。粗骨料選用5～25 mm連續(xù)級配碎石。粗骨料含泥量≤1.0%，提前水洗粗骨料。現(xiàn)場試拌混凝土，按粗細骨料水率的實際數(shù)據(jù)，在總用水量中扣除，保證實際水灰比的準確無誤。

4 溫控計算及結(jié)果分析

4.1 計算參數(shù)及計算模型

(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中的中國公路規(guī)范JTG D62-2015計算。

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

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

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。溫控過程中，工作人員需根據(jù)承臺塔座內(nèi)部溫度場監(jiān)測情況，適當(dāng)調(diào)整冷卻水管的進水流量及進水溫度。

表1 溫控計算參數(shù)表

根據(jù)現(xiàn)場情況及經(jīng)驗，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對流邊界：通過分析設(shè)計后確定，承臺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，應(yīng)根據(jù)實際情況適當(dāng)調(diào)整承臺的表面保溫措施，使保溫措施得以發(fā)揮最佳效果。

②約束邊界：在激活承臺時以混凝土澆筑的先后順序進行激活，先激活承臺1層，后激活2層，同時將實際的齡期差考慮進去展開模擬計算。

③澆筑間隔期：澆筑間隔期10 d。實際施工時應(yīng)盡量縮短間隔期。

(3)計算模型

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

4.2 承臺的溫控計算結(jié)果

(1)溫度計算結(jié)果

表2 溫度計算結(jié)果

根據(jù)溫度計算結(jié)果，承臺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)力計算結(jié)果

混凝土溫度變化時，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)部的溫度達到溫度最高點時，混凝土表面的拉應(yīng)力相對比較大。

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

根據(jù)應(yīng)力計算結(jié)果，承臺第一層混凝土的主拉應(yīng)力、承臺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)力分別為見表3所示。

表3 應(yīng)力計算結(jié)果

5 溫度控制標準及措施

5.1 混凝土溫度控制標準

根據(jù)目前行業(yè)規(guī)范和標準，同時結(jié)合本工程溫控數(shù)值模擬計算，所擬定的主要溫控標準見表4。

表4 主要溫控標準值

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)外溫差也會更大。與此同時，混凝土的水化反應(yīng)速率和入模溫度呈正比關(guān)系，入模溫度過高的情況下，會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，想要實現(xiàn)對混凝土的溫度控制，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)前承臺的冷卻水管水平間距為1 m，單個水管管路長度小于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)對于冷卻水管的管路要做到：單獨編號，獨立設(shè)置水管開關(guān)、流量計等設(shè)施，以此來提升后期使用時的便利性，工作人員可根據(jù)實際情況及需求隨時調(diào)整流量。升溫階段通江水，流量取3 m3/h；降溫階段進水流量取1.0 m3/h，同時進行冷卻水循環(huán)，對降溫速度予以控制。在進行溫控時，根據(jù)冷卻水的進水溫度及承臺內(nèi)部溫度場監(jiān)測情況，相應(yīng)調(diào)整流量或進水溫度。承臺澆筑后，如因特殊原因，出現(xiàn)冷卻水管無法及時通水的情況，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。應(yīng)在覆蓋塑料薄膜前在混凝土表面澆灑溫水，完成后再進行塑料薄膜的覆蓋，要做到覆蓋嚴密不暴露，減少由于日曬或風(fēng)干時造成的水分流失。養(yǎng)護過程中如發(fā)現(xiàn)混凝土表面干燥缺水，應(yīng)及時對塑料薄膜下方適當(dāng)補水，不宜大面積澆水，可以在天氣晴朗，日光充足的氣候下進行補水，用以養(yǎng)護的水溫應(yīng)該高于混凝土的表面溫度。大體積混凝土的保濕養(yǎng)護時間應(yīng)在14 d以上。

6 結(jié)論及建議

(1)需準確預(yù)測分析混凝土的溫度場及溫度應(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+實際分析的方法經(jīng)實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，方能針對實際施工案例進行準確分析。本文針對金沙江特大橋案例的承臺及塔座進行專項模擬，根據(jù)數(shù)值模擬計算得控制參數(shù)，經(jīng)實踐證明滿足施工要求。

(3)數(shù)值模擬僅能針對施工材料過程進行模擬，無法針對材料初始進行模擬，因而這部分需基于經(jīng)驗及實際進行研究及探討，方能有機結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，指導(dǎo)施工。

(4)由于建設(shè)過程較為倉促，無暇針對施工過程進行全過程監(jiān)測布置。今后若有類似案例，可進行溫度及應(yīng)力監(jiān)測專項布置，用以掌握整個施工過程中的動態(tài)變化，并與模擬結(jié)果進行比對，用于進一步優(yōu)化方案，指導(dǎo)類似項目的施工。