郭家沱長江大橋錨碇大體積混凝土水化熱研究

譚雙全，黎人亮，熊桂開，祝小龍，胡 奇

（1.重慶市勘測院，重慶市400020；2.重慶中建郭家沱大橋建設運營管理有限公司，重慶市400020）

0 引 言

隨著我國交通事業的發展，懸索橋在大跨徑橋梁中應用越來越廣泛。根據主纜錨固方式的不同，懸索橋可以分為地錨式和自錨式。地錨式懸索橋錨碇根據構造型式又分為兩種類型，為別為隧道式錨碇和重力式錨碇，其中重力式錨碇是典型的大體積混凝土結構。

我國相關規范中對大體積混凝土的定義為：混凝土結構物實體最小尺寸≥1 m 的大體量混凝土，或預計會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導致有害裂縫產生的混凝土[1]。

如今，工程師們早已認識到溫度應力是導致大體積混凝土結構出現各類裂縫的重要原因[2]。在實際工程中，大體積混凝土結構由于其在施工過程中一次性澆筑方量比較大，水泥水化反應所釋放的熱量在自然狀況下很難傳遞到結構表面，集聚在結構內部的巨大熱量將使混凝土結構內部溫度快速上升，而此時結構外部溫度往往又比較低，這將導致混凝土結構內外存在較大的溫差從而產生溫度應力使其外表面處于受拉狀態，當結構的產生溫度應力高于混凝土的抗拉強度承載力，將使混凝土結構產生開裂，其整體性將被破壞，削弱混凝土結構的功能，影響此混凝土結構在后續施工及正常使用過程中的狀態及安全[3]。所以，進行大體積混凝土施工前，開展相應結構的溫控措施以及水化熱規律研究就具有重要意義。對大體積混凝土結構施工過程中產生的水化熱進行嚴格控制，避免其溫度應力超限，從而產生溫度裂縫尤為重要。本文以在建的郭家沱長江大橋錨碇為例，在錨碇結構施工前進行其水化熱研究，掌握結構施工中的水化熱規律，從而制定大體積混凝土結構降低水化熱方案及相應的溫控措施，保證結構在施工中不產生溫度裂縫。

1 工程概況

作為六縱線跨越長江的重點控制性工程，重慶郭家沱大橋是一座公軌兩用橋梁，該橋采用雙層布置。上層為城市快速路，設計時速80 km/h，雙向八車道，荷載標準為城-A 級，人群荷載2.4 kN/m2，路幅寬度37 m，橋面橫坡為雙向2.0%，橋面縱坡為雙向0.5%。下層為雙線軌道交通，軌道縱坡為雙向0.5%，軌面以上凈高7.0 m。

郭家沱長江大橋主橋橋跨布置為67.5 m+720 m+75 m=862.5 m，是一座單孔懸吊雙塔三跨連續鋼桁梁懸索橋，主纜跨度布置為253.3 m+720 m+253.3 m，垂跨比1/9，垂度80 m，兩根主纜中心距為38.0 m。吊索設置于中跨，橋塔處吊索距橋塔中心線水平距離為15 m，吊索水平間距為15 m。

郭家沱大橋南、北錨錨碇均采用重力式錨，為滿足錨碇地基承載力及結構抗滑移、抗傾覆的要求，錨體及基礎后部巖體按照1∶0.3 開挖坡率放坡，對邊坡按照永久邊坡進行支護設計，錨體及基礎采用原槽澆筑，以降低側向土壓力的影響。錨碇主要由錨體、散索鞍、前錨室、后錨室、壓重塊及擴大基礎構成，各部采用材料見表1。

表1 錨碇材料

本文主要以南錨碇為例，南錨碇三維構造示意圖見圖1。南錨碇區位于丘陵斜坡，地形坡度一般22°～30°，上覆土層為粉質黏土，厚度0～2.0 m；下伏基巖為砂質泥巖夾薄層砂巖，砂質泥巖巖體完整性指數0.71～0.79，為較完整～完整，巖體單軸飽和抗壓強度為10.1 MPa。南錨碇基礎采用擴大基礎并設置臺階，基礎底面均位于中風化泥巖巖層上；基礎橫橋向寬62 m，順橋向總長55 m，設置3 m 襟邊；擴大基礎總高15 m，基礎設計用C30 混凝土24 366 m3。

圖1 南錨碇三維構造示意圖

散索鞍采用C40 混凝土結構，橫橋向總寬56 m，設計用混凝土15 403 m3。壓重塊采用C30 素混凝土澆筑，橫橋向總寬15.5 m，順橋向長31.3 m，高6.8 m；壓重塊共2 塊，設計用混凝土7 242 m3。錨體橫橋向寬56 m，順橋向總長42.8 m，高26.8 m，設計用C30混凝土47 073 m3。錨碇為大體積混凝土結構，對錨體、散索鞍和前錨室應每塊分層灌注。為防止錨體溫度裂縫的發生，除要求采用低水化熱水泥和對骨料進行預冷外，每層設置冷卻管，進行冷卻，并且錨體表面設置?20 mm 溫度鋼筋，間距20 cm，此外，錨體表面還需設置?6 mm 間距10 cm×10 cm 的冷軋帶肋鋼筋網。

2 錨碇施工

擴大基礎、錨體、壓重塊、鞍部等構造物屬大體積混凝土結構物，為避免混凝土水化熱引起混凝土開裂，將采用分層澆筑混凝土的方式施工，層厚為1～2 m，并沿錨碇縱向中心線設置一條2 m 寬的后澆帶，將錨碇基礎、錨體及鞍部分成左右兩個部分，如圖2、圖3 所示。

圖2 南錨碇后澆帶設置示意圖（單位：m）

圖3 錨碇基礎分層（單位：m）

混凝土澆筑完成后由于內部水化熱影響較易產生裂縫，為此在施工時設置冷卻水管。擴大基礎、錨體、壓重塊、鞍部等構造物均按照分層來布置冷卻水管，小于等于1.5 m 每層設置一層冷卻水管，大于1.5 m 每層設置兩層冷卻水，冷卻管為直徑D50 mm，厚度3.5 mm 的薄壁鋼管，每層內冷卻水管間距1 m如圖4 所示。

圖4 冷卻管布置示意圖（單位：cm）

3 溫度控制措施

3.1 混凝土配合比設計

在制定混凝土溫度控制措施時，首先應從混凝土材料本身性質出發，對大體積混凝土進行配合比設計，其基本原則是控制混凝土性能，配置出極限拉伸變形能力大、絕熱溫升小、線脹系數小、熱強比小、抗拉強度大，以及混凝土自生體積變形至少應是低收縮率，最好為微膨脹的混凝土。在進行混凝土配合比設計時應按照低水膠比、低坍落度、低砂率、摻高性能引氣劑、高效減水劑、及高粉煤灰摻量的基本原則進行設計，本工程C30 混凝土的配合比如表2 所示。其中，P.O42.5 水泥R28=52.7；細骨料為機制砂，細度模數2.7；粗骨料碎石粒徑5～20 mm。

表2 C30 混凝土配合比

3.2 混凝土性能控制

溫度控制措施中對于混凝土的性能控制，可根據《公路橋涵施工技術規范》（JTG/T F5—2011）和《大體積混凝土施工標準》（GB 50496—2018） 中的相關要求進行控制，其基本要求如下：

（1）混凝土澆筑結構在入模溫度基礎上的溫度升高值不宜大于50℃；

（2）混凝土內部最高溫度小于等于75℃、內表溫差小于等于25℃；

（3）混凝土澆筑體的降溫速率不宜大于2.0℃/d；

（4）混凝土澆筑體表面與大氣溫差不宜大于20℃；

（5）層與層之間的混凝土澆注間隔時間控制，按前次澆注混凝土核心溫度與其表面溫度差應小于20℃，同時已澆注混凝土的強度應大于其設計強度的50%。

3.3 埋設冷卻水管及其控制要求

大體積混凝土在進行澆筑施工時，可以通過在綁扎結構鋼筋時預先埋置冷卻水管，在澆筑過程中，通過埋置的冷卻水管中的水體流動帶走混凝土內部由于水化熱反應產生的巨大熱量，保持所澆筑的混凝土結構內外溫差不過大，可以避免產生超限的溫度應力帶來的溫度裂縫。對于大體積混凝土結構中所埋置的冷卻水管一般有如下幾點要求：

（1）冷卻管使用前應做壓水試驗，以防出現管道漏水、阻水等情況，通水時間大約在1h，對于出現前述問題部位馬上采取修補措施；

（2）冷卻管進水口處布設分水器，每套冷卻水管布設1 個分水器，分水器設置控制閥門；每套水管應采用單獨的閥門，并對每套水管逐一編號；

（3）混凝土內部通水降溫，進出口水的溫差宜小于等于10℃，且水溫與內部混凝土的溫差宜小于20℃，降溫速率宜小于2℃/d[4]。

3.4 混凝土澆筑溫度的控制

在進行大體積混凝土結構的澆筑施工時，控制混凝土的澆筑溫度對控制混凝土裂縫是相當重要的。同一混凝土，相較而言，澆筑入模時溫度高的混凝土所產生的溫升值要比入模溫度低的增大很多。所以在澆筑施工時，現場需根據施工時的環境溫度對應調整混凝土的入模溫度。施工過程中應控制好原材料溫度和在生產運輸過程中的保溫，從而滿足澆筑溫度小于28℃的相關要求，保證混凝土入模時溫度在相對合適范圍。

3.5 混凝土的養護

混凝土的養護主要包括溫度和濕度，這兩項因素將在較大程度上影響到結構表層混凝土的抗裂性、耐久性。在混凝土結構剛剛澆筑成型的一段時間內，結構本身并未產生足夠的強度，混凝土的水化反應還在持續進行，所以在澆筑完成后需要做好結構的養護工作，保證其溫度和濕度；從而進一步促進內部水化反應的加速進行，而混凝土的水泥只有其水化反應進行到一定程度才能形成有利于混凝土強度和耐久性的微結構。對于混凝土的養護一般要求有：

（1）當環境溫度大于5℃時，根據混凝土內部溫升情況，可推遲保溫養護，當施工時現場環境溫度小于5℃，應對混凝土結構進行保濕、保溫養護[5]。

（2）普通混凝土養護時間不少于14 d，摻粉煤灰混凝土養護時間不少于21 d。

3.6 監測實施方案及儀器設備

為實時監控澆筑混凝土時結構內部溫度變化，大體積混凝土結構澆筑時的溫度監測工作應提前制定好，本工程的監測方案及儀器設備要求如下：

（1）監測實施方案

監測工作包括選購傳感器、現場預埋、測量及整理數據、完成報告等?；炷恋膬炔繙囟缺O測詳細流程如圖5 所示。

圖5 溫控監測流程圖

傳感器的選購及預埋工作應在混凝土澆筑施工前實施好。對于混凝土的溫度測試，應保證在混凝土澆筑完后，能實時采集現場溫度。當混凝土溫度進入下降階段，需對冷卻水管流量進行合理控制，以防止混凝土溫度下降過快。根據現場實測的溫度決定具體的冷水管通水情況。

（2）儀器設備

溫度傳感器采用JMT-36C，采集溫度的設備采用JMWT-64RT。

（3）測溫元件布置

溫度監測元件的布設原則為重點突出且兼顧全局。本工程分析時按照溫度變化的一般性規律以及結構對稱性，選擇僅在對稱軸的一側布置監測點，將澆筑平面圖的四分之一平面作為監測區，部分傳感器布置如圖6 所示。

圖6 傳感器布置圖

3.6 溫度監測停止條件

混凝土的降溫速率和內外溫差滿足規范限值，并且環境最低溫度與混凝土最高溫度兩者的差值連續三天小于25℃時，溫度監測工作可停止[5]。

4 數值分析

為了在施工前研究掌握本工程中錨碇的水化熱變化規律，在分析計算時，根據實際的施工情況將錨碇分為壓重塊、散索鞍、錨塊和基礎四部分，每個部分分別建立有限元模型分析，混凝土施工步驟按分層分塊澆筑，埋置的冷卻水管按照實際布置方案進行布設。本文選取南錨碇基礎進行分析介紹。

4.1 計算參數

錨碇水化熱計算熱工參數見表3，根據當地平均氣溫，環境溫度變化曲線如圖7 所示。圖8 為南錨碇基礎三維有限元分析模型，圖9 為冷卻水管布置方案。

表3 水化熱計算參數

圖7 溫度變化曲線

圖8 有限元模型

圖9 冷卻水管布置

4.2 計算結果

限于篇幅，本文以基礎第一層為例進行介紹。

（1）混凝土內部溫度

由圖10 可知，南錨碇基礎第一層混凝土澆筑后內部溫度最大值約為51.4℃，發生在澆筑后的第24 h。

圖10 錨碇基礎溫度云圖

（2）混凝土內部溫度曲線

由圖11 可知，南錨碇基礎第一層混凝土澆筑后的結構內表溫差小于25℃，且混凝土結構最大溫度減去入模溫度小于50℃，滿足規范要求。

圖11 錨碇基礎理論溫度曲線圖

南錨碇基礎第一層于夜晚澆筑，約早晨8 點澆筑完成。現場監測數據表明，第二天中午13：00—14：00 達溫度峰值，約60.7℃，溫度峰值出現的時間與理論計算相接近。溫度最大值較理論值存在一定偏差，主要因為本段時間正是重慶一年中的高溫天氣，復雜的外部邊界條件，計算模型不能完全模擬其影響，但整個升降溫趨勢基本一致。

5 結 語

郭家沱大橋南錨碇基礎于2020 年8 月開始施工，2020 年10 月施工完成。施工過程中，按照本文所述方法進行大體積混凝土溫度控制，南錨碇基礎混凝土的最高溫度、最大溫升、內外溫差及層間溫差均未超過標準限值。經現場檢查，未發現混凝土溫度裂縫，保證了混凝土的施工質量，為后續錨碇結構的施工提供了技術支持和實踐經驗，也對類似大體積混凝土結構的施工和分析提供了技術指導和理論參考。