懸索橋承臺(tái)大體積混凝土溫控及抗裂技術(shù)應(yīng)用*

鄭華凱，劉 釗，唐 俊

(1.江蘇省交通工程建設(shè)局，江蘇 南京 210004； 2.中交路橋建設(shè)有限公司，北京 101100)

0 引言

懸索橋承臺(tái)將主塔承受的壓力傳遞至樁基礎(chǔ)，是大橋的重要分部工程。承臺(tái)屬于大體積混凝土，水泥水化過(guò)程中釋放的水化熱所產(chǎn)生的溫度變化和混凝土收縮、內(nèi)部累積的溫度應(yīng)力大于材料本身的抗拉強(qiáng)度，均導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。采用減小混凝土溫度收縮變形(提高體積穩(wěn)定性)、降低內(nèi)外約束的方式，從而避免結(jié)構(gòu)裂縫出現(xiàn)，抑制非結(jié)構(gòu)裂縫和裂紋[1]。大岳高速公路洞庭湖大橋、二道松花江特大橋、滬蘇通長(zhǎng)江公鐵兩用大橋、南京長(zhǎng)江五橋等均對(duì)承臺(tái)混凝土溫控措施進(jìn)行了實(shí)踐探索并取得了有益實(shí)踐[2-7]。

龍?zhí)堕L(zhǎng)江大橋主塔承臺(tái)采用優(yōu)化配合比減少水化熱、固化工藝工法、控制原材料溫度，配合實(shí)施溫控技術(shù)，有效抑制了裂縫和裂紋的出現(xiàn)和發(fā)展，提升了工程耐久性。

1 工程概況

龍?zhí)堕L(zhǎng)江大橋?yàn)橹骺? 560m懸索橋，承臺(tái)為啞鈴形，平面尺寸為33.5m(橫橋向)×40.5m(順橋向)，厚度為6m。兩承臺(tái)之間采用11.86m(橫橋向)×23.5m(順橋向)連梁，厚度為6m。承臺(tái)頂標(biāo)高為6.000m，底標(biāo)高為0.000。承臺(tái)混凝土澆筑量為15 937.3m3，強(qiáng)度等級(jí)為C40，為大體積混凝土，存在因水化熱發(fā)展導(dǎo)致開(kāi)裂的可能性，需對(duì)其進(jìn)行大體積混凝土溫控設(shè)計(jì)與控制，提升其控裂安全性，確保大橋施工安全性及有效使用壽命。基礎(chǔ)構(gòu)造平面如圖1所示。

圖1 基礎(chǔ)構(gòu)造平面(單位：cm)

承臺(tái)及塔座采用C40混凝土，配合比設(shè)計(jì)如表1所示。混凝土工作性能及力學(xué)性能實(shí)測(cè)結(jié)果如表2所示。混凝土物理熱學(xué)參數(shù)根據(jù)混凝土配合比進(jìn)行計(jì)算，線(xiàn)膨脹系數(shù)、泊松比根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值，結(jié)果如表3所示。

表1 大體積混凝土配合比 kg·m-3

表2 大體積混凝土實(shí)測(cè)工作性能及力學(xué)性能指標(biāo)

表3 大體積C40混凝土物理熱力學(xué)參數(shù)

2 計(jì)算分析

有限元模型結(jié)構(gòu)尺寸與實(shí)體尺寸一致，根據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性，取承臺(tái)混凝土1/2進(jìn)行溫度應(yīng)力計(jì)算，承臺(tái)底部基礎(chǔ)為砂巖，厚度取為3m作為約束條件，承臺(tái)分2次澆筑，第1，2層澆筑厚度均為3.0m。計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 ANSYS承臺(tái)有限元模型

承臺(tái)混凝土共布設(shè)4層冷卻水管，上、下分層澆筑的混凝土分別縱橫交錯(cuò)布設(shè)2層冷卻水管，水平管間距為100cm，高程分別為1.200，2.200，4.000，5.000m，水管距離混凝土表面/側(cè)面距離為50cm。每層均布設(shè)8根水管，每根水管設(shè)置1個(gè)進(jìn)、出水口，長(zhǎng)度均<200m。

計(jì)算風(fēng)速取0.5～1.5m/s，粗糙表面在空氣中的放熱系數(shù)為43kJ/(m2·h·℃)。采用鋼模板施工，導(dǎo)熱系數(shù)為163.29kJ/( m2·h·℃)，模板及上表面保溫層采用5cm厚泡沫塑料板，導(dǎo)熱系數(shù)為9.6kJ/(m2·h·℃)，求得模板系統(tǒng)導(dǎo)熱系數(shù)為30kJ/(m2·h·℃)， 混凝土上表面導(dǎo)熱系數(shù)為35kJ/(m2·h·℃)。

冷卻水管為鋼管，外徑40mm、壁厚2mm。管內(nèi)水流速初步定為1m/s，冷卻水比熱容為4.2kJ/(kg·℃)， 密度為103kg/m3。初始水溫取20℃，之后隨混凝土內(nèi)部溫度的升高，冷卻水溫逐漸升高，在混凝土降溫階段，水溫也隨之降低，計(jì)算得到鋼管對(duì)流系數(shù)為967.13kJ/(m2·h·℃)。其他邊界條件如表4所示。

表4 承臺(tái)大體積混凝土邊界條件

承臺(tái)溫度變化曲線(xiàn)如圖3所示。由圖3可知，第1，第2層混凝土內(nèi)部溫度最高分別為60，58℃，最大溫差分別為23，20℃，均滿(mǎn)足要求。

圖3 承臺(tái)溫度變化曲線(xiàn)

混凝土應(yīng)力如表5所示，由表5可知，第1，2層混凝土溫度應(yīng)力均滿(mǎn)足應(yīng)力要求。其中，應(yīng)力較高位置主要集中于混凝土上表面外邊緣及側(cè)面。

表5 混凝土應(yīng)力 MPa

3 工程措施

3.1 原材料控制

原材料進(jìn)場(chǎng)嚴(yán)格執(zhí)行檢驗(yàn)程序，除自檢外，還必須經(jīng)監(jiān)理工程師和中心實(shí)驗(yàn)室抽檢合格，才能用于實(shí)體工程，采用雙摻技術(shù)優(yōu)化混凝土配合比。

3.2 降低入模溫度

提前1個(gè)月對(duì)混凝土原材料進(jìn)行儲(chǔ)備降溫，每天早、中、晚對(duì)原材料溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并計(jì)算混凝土理論出機(jī)溫度；增設(shè)2臺(tái)冷水機(jī)，制冷拌合用水至5℃左右；對(duì)罐車(chē)罐體采用保溫篷布包裹，降低混凝土運(yùn)輸過(guò)程中升溫速度；加強(qiáng)混凝土入模溫度監(jiān)測(cè)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，混凝土入模溫度控制在16～25.3℃。

3.3 施工工藝控制

承臺(tái)施工定人、定崗、定設(shè)備，梳理工序，形成固化工藝流程。采用2臺(tái)泵車(chē)進(jìn)行均勻布料，避免振搗棒趕料現(xiàn)象；嚴(yán)格控制混凝土坍落度在180～200mm；在冷卻水管附近鋼筋上進(jìn)行位置標(biāo)識(shí)，避免施工過(guò)程中，布料、振搗施工撞擊冷卻水管；溫控小組每間隔2h采集1次監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并及時(shí)發(fā)布溫控指令；上部抹面完成后進(jìn)行灑水保濕后覆蓋塑料薄膜和土工布，上部再覆蓋1層油布，養(yǎng)護(hù)過(guò)程中禁止過(guò)量灑水否則會(huì)導(dǎo)致積水。

3.4 循環(huán)冷卻水

每層獨(dú)立設(shè)置冷卻水管循環(huán)管路，在進(jìn)水管位置增設(shè)增壓泵、水表，確保水流速滿(mǎn)足溫控要求。獨(dú)立設(shè)置進(jìn)、出水水箱，2個(gè)水箱間設(shè)置連通閥，方便水溫調(diào)節(jié)；根據(jù)溫控指令要求，及時(shí)對(duì)混凝土進(jìn)行保濕、保溫覆蓋及冷卻水溫度、流速調(diào)節(jié)。

在冷卻水管安裝完成后，及時(shí)進(jìn)行通水試驗(yàn)，通水流速為2m/s，通水時(shí)長(zhǎng)為15min，在混凝土澆筑至距冷卻水管約10cm時(shí)，再次進(jìn)行通水檢測(cè)，確保無(wú)漏水。

3.5 保溫養(yǎng)護(hù)

混凝土澆筑完成后在側(cè)面鋼模上覆蓋1層彩條布和1層油布，表面初凝后收面次數(shù)≥3次，并灑水養(yǎng)護(hù)，覆蓋1層塑料薄膜進(jìn)行保濕并覆蓋1層土工布和1層油布進(jìn)行保溫，后期氣溫降低增加泡沫保溫板及棉被覆蓋。在澆筑完成后的前3d，由于混凝土強(qiáng)度較低，應(yīng)盡可能避免掀開(kāi)覆蓋層。后期施工時(shí)應(yīng)集中在晴天的中午，分塊掀開(kāi)保溫層并在施工后及時(shí)復(fù)原保溫措施。

3.6 布設(shè)抗裂鋼筋網(wǎng)

承臺(tái)側(cè)面和頂面布設(shè)φ8@10cm×10cm鋼筋網(wǎng)，距離混凝土外表面3.5cm，以抑制溫度收縮和干縮裂縫。

4 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及結(jié)果分析

4.1 測(cè)點(diǎn)布置

1)測(cè)溫點(diǎn)平面布置 如圖4所示，在左、右幅對(duì)稱(chēng)軸上設(shè)置測(cè)溫點(diǎn)，順橋向承臺(tái)軸線(xiàn)上布置5個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距約10m，橫橋向承臺(tái)軸線(xiàn)上布置10個(gè)測(cè)溫點(diǎn)(左、右幅分別設(shè)置5個(gè)測(cè)溫點(diǎn))，測(cè)點(diǎn)間距約8.5m，邊緣處的測(cè)溫點(diǎn)距離表面50mm。在每個(gè)半幅的1/4面的中部設(shè)置1個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，編號(hào)為Z1，Z2，并在邊緣處各設(shè)置1個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，編號(hào)為J1，J2。

圖4 承臺(tái)測(cè)點(diǎn)平面布置(單位：cm)

2)測(cè)點(diǎn)斷面布置 每層混凝土澆筑厚度為3m，因此，沿厚度方向布置測(cè)溫點(diǎn)以監(jiān)測(cè)縱向溫度梯度及其變化情況。考慮到本工程縱、橫向?qū)ΨQ(chēng)，將斷面測(cè)點(diǎn)情況分為3種，分別為5測(cè)點(diǎn)、3測(cè)點(diǎn)和1測(cè)點(diǎn)，如圖5所示。

圖5 承臺(tái)測(cè)點(diǎn)斷面布置(單位：cm)

4.2 溫控結(jié)果對(duì)比

承臺(tái)混凝土外表面的X1-上，X1-中，X2-上，X3-上4個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度計(jì)算值和實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖6所示。由圖6可知受限于測(cè)量方法和周?chē)h(huán)境，實(shí)測(cè)值波動(dòng)較大。溫度變化的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值存在一定差異，這是因?yàn)橥獗砻媸鼙卮胧┖屯饨绛h(huán)境影響較大，且計(jì)算值采用的混凝土入模溫度為28℃，而實(shí)際入模溫度為23℃，但兩者變化趨勢(shì)基本相同。整體來(lái)看，表面溫度的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值基本一致，結(jié)果合理。

圖6 承臺(tái)混凝土外表面計(jì)算溫度與實(shí)測(cè)溫度對(duì)比

承臺(tái)混凝土內(nèi)部X2-中，X3-中溫度變化的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖7所示。由圖7可知，兩者溫度變化趨勢(shì)存在一定差異，實(shí)測(cè)中混凝土前期的溫度上升較快，且溫度峰值后下降較慢，主要是由于冷卻水溫度不同導(dǎo)致，實(shí)際澆筑中冷卻水采用循環(huán)水，溫度隨時(shí)間而升高。在計(jì)算中未考慮到水溫的動(dòng)態(tài)變化，冷卻水溫較實(shí)際水溫偏低，導(dǎo)致計(jì)算中混凝土內(nèi)部升溫慢、降溫快，但計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果均符合安全規(guī)范要求。

圖7 承臺(tái)混凝土內(nèi)部計(jì)算溫度與實(shí)測(cè)溫度對(duì)比

4.3 裂縫統(tǒng)計(jì)

承臺(tái)澆筑完成2個(gè)月內(nèi)，持續(xù)對(duì)承臺(tái)上表面裂縫、裂紋進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，共4條裂縫、裂紋，長(zhǎng)度均<1 650mm， 寬度<0.04mm，深度<29mm。未發(fā)現(xiàn)有害裂縫，非結(jié)構(gòu)裂、縫裂紋數(shù)量極少，抗裂效果明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

龍?zhí)堕L(zhǎng)江大橋主塔承臺(tái)采用ANSYS有限元軟件模擬的計(jì)算溫度和應(yīng)力均能有效指導(dǎo)施工，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與溫控仿真結(jié)果一致性較強(qiáng)，持續(xù)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，該分項(xiàng)工程抗裂性能突出，有助于提升耐久性和延長(zhǎng)全生命周期。目前，該溫控技術(shù)及防裂措施應(yīng)用于塔座及塔柱實(shí)心段、錨碇基礎(chǔ)填芯及頂?shù)装逯校〉昧肆己眯Ч?/p>