山區懸索橋索塔承臺大體積混凝土溫控研究

何 立，趙圓圓，伏冠西，冉師齊

(四川路橋華東建設有限責任公司，成都 610000)

隨著橋梁技術的不斷突破，我國正由橋梁大國逐步邁進橋梁強國行列，世界上的“最長、最高、最大”紀錄不斷被中國橋梁工程師所改寫.在這些橋梁工程中，大體積混凝土結構發揮著重要的作用.大體積混凝土結構在澆筑過程中水泥水化放熱，使結構內部溫度逐漸升高，而結構表面溫度相對較低，這種過大內表溫差將導致表面裂縫產生，進而影響結構的耐久性及安全性[1-3].為此，國內外學者對大體積混凝土溫控進行了相關的研究.文獻[4-6]主要研究了混凝土配合比、澆筑溫度及冷卻水對大體積混凝土溫控的影響；文獻[7-9]從理論上推導了熱傳導等效方程，構建了數學計算模型并開發了大體積混凝土溫度場仿真計算程序；文獻[10]主要研究了海洋環境對大體積混凝土水化熱的影響規律；文獻[11]對側面被巖土包圍的隧道錨塞體的溫度場特點進行了研究.然而，目前針對山區峽谷復雜風場環境下大體積混凝土的溫控研究鮮有報道.鑒于此，本文以山區懸索橋索塔承臺施工為背景，采用有限元仿真計算并結合現場實測數據，對山區復雜風場下大體積混凝土的溫度效應進行了研究，以期為同類工程施工提供參考.

1 工程概況

川滇金沙江特大橋主橋為1 060 m 雙塔單跨鋼桁梁懸索橋.該橋位于山區“V”型峽谷地帶，大風出現頻率高，風場紊亂.截至目前，現場實測最高風速達到了33 m/s，極具破壞力.

索塔基礎采用樁基承臺形式，單個承臺平面尺寸為25.5 m×25.5 m，高7 m.為改善承臺頂面塔柱底局部受力以及加強景觀效果，在塔柱與承臺間設置棱臺形塔座，塔座高2 m，且承臺間設置承臺系梁.索塔承臺平面布置見圖1.承臺和系梁混凝土均為C40，在距承臺的頂面50 cm 范圍內的混凝土拌合物中摻入0.9 kg/m3的聚丙烯單絲纖維；塔座混凝土為C50，在混凝土拌合物中摻入0.9 kg/m3的聚丙烯單絲纖維及2.7 kg/m3聚丙烯粗纖維(仿鋼纖維).

圖1 索塔承臺平面布置/cm

2 承臺溫控措施

2.1 混凝土性能指標

索塔承臺混凝土經工地實驗室驗證后，混凝土的各項參數均滿足設計要求，其配合比如表1所示.結合現場環境，混凝土入模溫度取20 ℃，由表1 配合比對混凝土物理熱學參數進行取值計算，結果見表2.

表1 塔座和承臺混凝土配合比 kg/m3

表2 大體積混凝土物理熱學參數

2.2 澆筑總體思路

兩岸承臺結構尺寸基本一致，單個承臺混凝土總方量為4 551.75 m3，具有體積大、混凝土標號高、水化熱效應顯著等特點.為了對混凝土內部溫度進行有效控制，承臺施工采用分層澆筑的方式，見圖2.

圖2 承臺混凝土分層澆筑順序

總體澆筑思路：首先，進行承臺施工，承臺分2 層澆筑成型(3.5 m+3.5 m)，單次最大澆筑方量約為2 275.88 m3；其次，待承臺施工完成后隨即進行塔座施工，塔座一次澆筑完成，澆筑方量為518 m3；最后，待承臺穩定后再施工系梁，兩岸系梁均分2 次澆筑，四川岸一次澆筑最大方量為550.9 m3，云南岸一次澆筑最大方量為345 m3.

2.3 溫控標準

大體積混凝土溫控目的在于降低混凝土內表溫差，避免溫度裂縫的產生.通常大體積混凝土抗裂安全性可按以下2 點進行評價：特征溫度控制值和抗裂保證率.特征溫度主要包含澆筑溫度、內部最高溫度及內表溫差等.根據相關規范[12-13]，并結合本工程特點，采用以下溫控標準：

1)混凝土澆筑溫度取值范圍為5～30 ℃；

2)混凝土內部最高溫度限值為75 ℃；

3)混凝土內表溫差上限值為25 ℃.

抗裂保證率是將混凝土溫度應力仿真計算值與容許應力參考值進行比較分析，以溫度應力仿真計算值≤容許應力參考值為評價標準，并綜合考慮應力值富余量對構件安全性的影響.

2.4 溫控措施

橋址區風場紊亂，且風速大，加之為冬季施工，氣溫較低，使得混凝土內表溫差控制難度極大.實際施工時，混凝土內部溫度主要通過預埋冷卻水管、分層澆筑及控制入水初始溫度進行綜合控制；混凝土外表主要采取在側模上覆蓋保溫層與防雨布，頂部蓄水養生，同時輸送蒸汽進行保溫養護.

承臺分2 次澆筑成型，每澆筑層縱橫交錯布設3 層冷卻水管，每層4 套水管(承臺冷卻水管平面布置見圖3)，水管長度≤200 m；水管水平間距為 100 cm，垂直間距為 100 cm(0.75 m+1.0 m×2+0.75 m).塔座一次澆筑成型，縱橫交錯布設2 層冷卻水管，每層2 套水管，水管長度≤200 m，水管水平間距為100 cm，垂直間距為80 cm(0.6 m+0.8 m+0.6 m).冷卻水管內徑為40 mm，水流量為3.0 m3/h，入水初始溫度為20 ℃，通水時間為7 d.現場冷卻水管布置見圖4.

圖3 承臺冷卻水管平面布置/cm

圖4 現場冷卻水管實景

3 數值模擬分析

3.1 有限元模型

根據結構對稱性，取承臺、塔座1/4 結構進行仿真模擬.采用MIDAS/FEA 數值軟件建立承臺實體模型，選取六面體網格單元.承臺的底面是巖土，將其設為固定溫度，為第1 類邊界條件；承臺、塔座對稱邊界絕熱為第2 類邊界條件；承臺每層施工時，頂面、拆模后側面與空氣進行熱傳遞，為第3 類邊界條件；未拆模側面部分經由鋼模向空氣散熱，為第4 類邊界條件.限于篇幅，本文僅對四川岸承臺數據進行分析，云南岸溫控結果與之一致.承臺分層施工，混凝土澆筑間歇期按7 d 考慮.有限元模型如圖5 所示.

圖5 承臺1/4 結構有限元分析模型

3.2 溫度結果分析

通過數值分析，承臺混凝土內部溫度計算結果見表3.由表3 可知，承臺內部最高溫度為54.06 ℃，于第 3 d 出現，內表最大溫差為21.24 ℃；塔座內部最高溫度為60.70 ℃，于第2天出現，內表最大溫差為22.72 ℃.由圖6 可知，各層混凝土內部溫度最高，表面溫度較低，溫度控制應以“外保內散”為原則，即內部加強通水降溫，外部加強養護保溫.

表3 承臺混凝土溫度計算結果

圖6 承臺混凝土內部最高溫度包絡圖/℃

3.3 應力結果分析

由圖7～圖9 可知，各澆筑層混凝土早期膨脹，前3 d 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，即3 d后有部分應力向構件內部轉移并逐漸發展至穩定水平.此外，承臺和塔座早期上表面與側面因內表溫差較大均存在一定程度的應力集中現象，且二者交界面后期因固結約束作用亦存在此現象.因此，需要通冷卻水降低混凝土內部溫度，同時加強應力集中部位的保溫養護，從而降低內表溫差，防止約束累積致裂.

圖7 承臺第1 層混凝土溫度應力場/MPa

圖8 承臺第2 層混凝土溫度應力場/MPa

圖9 塔座混凝土溫度應力場/MPa

從表4 可看出，混凝土澆筑完成3 d 內，溫度應力基本可達到峰值；承臺各層混凝土抗裂安全系數隨齡期增長而增大，第1 層混凝土抗裂安全系數最小值為1.4，第2 層混凝土抗裂安全系數最小值為1.3，塔座混凝土抗裂安全系數最小值為1.9.這表明結構處于安全狀態，無裂縫產生.

表4 混凝土溫度應力場計算結果

綜上，承臺溫控效應理論計算值均符合規范要求，承臺內部冷卻水管布設合理、可行.

4 監測結果分析

對大體積混凝土進行仿真計算，只是從理論上對其內部溫度及溫度應力的變化規律進行分析，而實際施工條件并非理想狀態，結果也必將與理論存有差異.因此，為及時掌握承臺大體積混凝土內部溫度變化趨勢及規律，防止溫致表面裂縫的產生，進行實時溫度監測是有必要的.

4.1 測點布置

考慮到結構對稱性及施工經濟性，可在承臺1/4 區域位置布設測溫元件.承臺分2 次澆筑成型，每澆筑層布設2層測點，每層11個測溫元件；塔座一次澆筑成型，居中布置1 層測點，9 個測溫元件.溫測元件布置見圖10～圖11.

圖10 溫控測點布置立面/cm

圖11 承臺第1 層溫控測點布置/cm

4.2 監測結果分析

從圖12 可以看出，承臺澆筑層混凝土在3 d內達到了溫度峰值，第1 層最高溫度為47.6 ℃，第2 層最高溫度為48.3 ℃，這與理論計算值基本吻合.承臺實測溫度時程曲線總體呈先升后降的趨勢，且內表溫差均控制在20 ℃以內(見圖13)，符合規范要求.

圖12 承臺實測溫度時程曲線

圖13 承臺內表實測最大溫差時程曲線

四川岸索塔承臺澆筑時間為2021-12-07，拆模時間為2021-12-20；云南岸索塔承臺澆筑時間為2021-12-09，拆模時間為2021-12-22.拆模后承臺混凝土表面平整光滑，無裂縫產生，溫控效果顯著.承臺現場實景如圖14 所示.

圖14 承臺現場實景

5 結論

1)承臺混凝土澆筑完成后內部峰值溫度在2～3 d 內達到，出現內部溫度高、表面溫度低的現象，可見溫度控制應以“外保內散”為原則.

2)溫度拉應力前期主要集中于構件表面，后期拉應力向構件內部轉移并逐漸發展至穩定水平；此外，構件表面存在一定程度的應力集中現象.

3)山區大體積混凝土內部溫度可通過預埋冷卻水管、分層澆筑及控制入水初始溫度進行綜合控制；混凝土外表建議采取在側模上覆蓋保溫層與防雨布，頂部蓄水養生，同時輸送蒸汽進行保溫養護.