受約束索塔下橫梁大體積混凝土控裂難點及水化熱分析

李莘哲，賈利強

(1.廣西路橋工程集團有限公司，廣西 南寧 530200；2.廣西欣港交通投資有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

已澆混凝土若受到周邊較大約束，極易產生裂縫，裂縫的出現對大體積混凝土耐久性有較大影響。本文以在建工程龍門大橋為依托，通過水化熱計算，提出溫控和早期抗裂措施，為周邊約束大體積混凝土施工提供理論參考。

1 工程概況

龍門大橋為單跨吊懸索橋，一跨過海，主跨1 098 m，采用門式混凝土索塔，塔高174 m。索塔采用門式造型，設置上、下兩道橫梁，索塔橫梁為預應力混凝土構件。其中，下橫梁標高9.0 m、寬3.5 m，與塔柱底部實心段同時澆筑，其平面結構見圖1。

圖1 塔身及下橫梁平面示意圖(cm)

塔身、下橫梁采用C55海工混凝土，為大體積混凝土[1]，存在因水化熱發展導致開裂的可能性，需對其進行大體積混凝土溫控設計與控制，提升其控裂安全性，確保大橋施工安全性及有效使用壽命。

2 控裂重難點

(1)塔柱、下橫梁混凝土設計強度等級高(C55)，膠凝材料用量較多、水化熱[2]高、混凝土絕熱溫升高，控制混凝土溫升的措施不當時，極易因溫差溫度應力而引起開裂。

(2)塔柱第一節段、下橫梁結構的變截面較多，各個部位的混凝土收縮情況不一樣，極易引起個別部位的溫度應力集中而開裂。

(3)塔柱第一節段、下橫梁受承臺混凝土固結約束，新老混凝土澆筑間隔期較長，下部固結約束較大容易導致上層混凝土約束累積開裂。

3 混凝土配合比及性能指標

3.1 大體積混凝土配合比

塔柱第一節段、下橫梁采用C55海工混凝土，混凝土配合比設計見表1。混凝土摻加1.5 kg/m3的纖維素纖維以提高其抗拉能力。

表1 C55塔柱第一節段、下橫梁混凝土配合比設計表(kg/m3)

3.2 混凝土各項性能指標

根據混凝土配合比計算混凝土物理熱學參數，按經驗取線膨脹系數值，結果見表2。

表2 C55大體積混凝土物理熱學性能表

混凝土摻加1.5 kg/m3的纖維素纖維以提高其抗拉能力。參考各類試驗數據，摻加1.5 kg/m3纖維的混凝土抗拉強度可提高約15%，相應混凝土特定齡期劈裂抗拉強度參考值見表3。

表3 C55大體積混凝土劈裂抗拉強度表(MPa)

(1)混凝土彈性模量計算公式為：

E(t)=βE0(1-e-φt)

(1)

(2)混凝土絕熱溫升按式(2)計算，其中m取澆筑溫度30 ℃的值。

(2)

(3)混凝土不同齡期的抗壓強度ft符合式(3)規律，通過特定齡期試驗結果反向擬合各項參數值，推算任意齡期強度；不同齡期的抗拉強度ftk可按式(4)擬合，α值一般推薦0.44，可結合特定齡期試驗結果予以校正：

(3)

(4)

Midas/FEA仿真計算中對于普通硅酸鹽水泥，a取4.5，b取0.95，d取1.11。

通過以上計算所求得各齡期抗拉強度值，根據混凝土配合比及抗壓強度數據進行修正，得到C55海工大體積混凝土劈裂抗拉強度。

4 溫控仿真計算

4.1 模型參數

構件尺寸：塔柱實心段平面尺寸為10.0 m×8.0 m，下橫梁寬3.5 m，均厚9.0 m。

約束條件：塔柱第一節段約束部位為C45承臺，橫梁約束部位為10 cm厚墊層，墊層采用C25素混凝土。

分層分塊：塔柱第一節段、下橫梁一起澆筑，分兩次澆筑成型，澆筑厚度為4.5 m+4.5 m。

由于塔柱第一節段、下橫梁為對稱結構，取其混凝土的1/4進行水化熱[2]建模計算。計算模型網格劃分見圖2。

圖2 塔柱第一節段、下橫梁大體積混凝土1/4網格剖分示意圖(附帶承臺、墊層約束)

4.2 邊界條件

塔柱第一節段、下橫梁大體積混凝土的邊界條件如表4所示。

表4 塔柱第一節段、下橫梁大體積混凝土邊界條件取值表

(1)環境溫度：塔柱第一節段、下橫梁大體積混凝土預計工期為2021年9月下旬至10月上旬，參考欽州市月平均氣溫確定其施工期平均氣溫。

(2)澆筑溫度：塔柱第一節段、下橫梁預計工期為高溫期至常溫期的過渡期，澆筑溫度按照前文溫度評價標準控制為上限≤30 ℃，同時參考平均氣溫進行估算。

(3)模板材質：針對模板和保溫層的影響，可使用放熱系數βs來等效對流換熱系數。混凝土通過保溫層對空氣進行散熱的等效散熱系數依據式(5)進行計算：

(5)

本工程的計算取風速為4 m/s，粗糙表面在空氣中的放熱系數β=82.2 kJ/(m2·h·℃)。橫梁采用8 mm厚鋼模板施工，導熱系數λ=163.29 kJ/(m·h·℃)，模板外采用土工布+防雨布，導熱系數取為油毛氈導熱系數λ=0.167 kJ/(m·h·℃)，求得模板系統βs=75 kJ/(m2·h·℃)；塔柱采用木膠合板，求得模板系統βs=30 kJ/(m2·h·℃)。

(4)養護方法：混凝土周邊保留鋼模并覆蓋防雨篷布，上表面滿鋪土工布并蓄水保溫保濕。

(5)冷卻水：塔柱實心段布設冷卻水管，水管水平管間距為100 cm，豎直管間距為85～90 cm，縱橫交錯布置；下橫梁因張拉需要不布設冷卻水管。

塔柱實心段單層水管豎向布置為0.5 m+0.9 m+0.85 m+0.85 m+0.9 m+0.5 m(圖3)，通水時間為7 d，塔柱入水溫度取為25 ℃，水管內徑為40 mm，水流量取3 m3/h。

圖3 單層塔柱仿真計算冷卻水管布置示意圖

4.3 計算結果分析

4.3.1 溫度計算結果

在上述條件下，塔柱第一節段、下橫梁大體積混凝土最大內表溫差、內部最高溫度及溫度計算結果見表5，均滿足規范要求的溫度控制標準。

表5 塔柱第一節段、下橫梁大體積混凝土溫度計算結果表

塔柱第一節段、下橫梁混凝土內部最高溫度包絡圖見圖4。由圖4可知，塔柱部分因布設冷卻水管而溫度較低，橫梁部分因未布設冷卻水管而溫度較高；混凝土內部溫度最高，表面溫度較低，溫度控制的核心為“外保內散”，即內部加強通水降溫、外部加強養護保溫。

圖4 塔柱第一節段、下橫梁混凝土內部最高溫度包絡圖(℃)

4.3.2 應力計算結果

在上述條件下，塔柱第一節段、下橫梁大體積混凝土的不同齡期溫度應力計算結果見表6。塔柱第一節段、下橫梁不同齡期的最小抗裂安全系數為1.41(≥1.4)，滿足最小抗裂安全系數設計指標，如表7所示。

塔柱第一節段、下橫梁大體積各澆筑層混凝土早期膨脹，前3 d溫度應力較快發展，是內表溫差過大引起的拉應力，主要在構件上表面集中；混凝土養護后期，自身開始收縮，3 d后有部分應力向混凝土內部轉移并漸漸發展成較穩定狀態。

早期混凝土周邊外表面因內表溫差較大產生一定應力集中，需通過冷卻管通水降低混凝土內部溫度；另一方面應加強外表面的保溫、保濕養護措施，減少混凝土內表溫差，防止不斷積累的約束而開裂；后期混凝土變截面部位有部分應力集中，應加強并延長變截面部位的保濕養護，避免應力集中開裂。

表6 塔柱第一節段、下橫梁溫度應力計算結果表

表7 塔柱第一節段、下橫梁抗裂安全系數計算結果表

5 結語

(1)塔柱第一節段、下橫梁大體積混凝土內部最高溫度及內表溫差均可滿足本文所制定的溫度評價標準；各齡期安全系數均≥1.4，可滿足本文所制定的應力評價標準，抗裂安全性較高。

(2)塔柱第一節段、下橫梁大體積混凝土可以按照預設工況進行施工。如果工況發生改變(如分層變化、配合比變化、澆筑時間變化等)，需對仿真計算結果進行復核。

(3)下橫梁受兩側剛性塔身和底部基礎約束容易引起早期開裂，混凝土配合比應考慮摻溫縮增韌纖維，泵送工藝的纖維摻量建議為1～2 kg/m3。