受約束索塔下橫梁大體積混凝土控裂難點(diǎn)及水化熱分析

李莘哲，賈利強(qiáng)

(1.廣西路橋工程集團(tuán)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(chǎn)生裂縫，裂縫的出現(xiàn)對(duì)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?yàn)橐劳校ㄟ^水化熱計(jì)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?yàn)閱慰绲鯌宜鳂颍豢邕^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(shè)置上、下兩道橫梁，索塔橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件。其中，下橫梁標(biāo)高9.0 m、寬3.5 m，與塔柱底部實(shí)心段同時(shí)澆筑，其平面結(jié)構(gòu)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(fā)展導(dǎo)致開裂的可能性，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。

2 控裂重難點(diǎn)

(1)塔柱、下橫梁混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)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(dāng)時(shí)，極易因溫差溫度應(yīng)力而引起開裂。

(2)塔柱第一節(jié)段、下橫梁結(jié)構(gòu)的變截面較多，各個(gè)部位的混凝土收縮情況不一樣，極易引起個(gè)別部位的溫度應(yīng)力集中而開裂。

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

3 混凝土配合比及性能指標(biāo)

3.1 大體積混凝土配合比

塔柱第一節(jié)段、下橫梁采用C55海工混凝土，混凝土配合比設(shè)計(jì)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(jié)段、下橫梁混凝土配合比設(shè)計(jì)表(kg/m3)

3.2 混凝土各項(xiàng)性能指標(biāo)

根據(jù)混凝土配合比計(jì)算混凝土物理熱學(xué)參數(shù)，按經(jīng)驗(yàn)取線膨脹系數(shù)值，結(jié)果見表2。

表2 C55大體積混凝土物理熱學(xué)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(yàn)數(shù)據(jù)，摻加1.5 kg/m3纖維的混凝土抗拉強(qiáng)度可提高約15%，相應(yīng)混凝土特定齡期劈裂抗拉強(qiáng)度參考值見表3。

表3 C55大體積混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度表(MPa)

(1)混凝土彈性模量計(jì)算公式為：

E(t)=βE0(1-e-φt)

(1)

(2)混凝土絕熱溫升按式(2)計(jì)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(qiáng)度ft符合式(3)規(guī)律，通過特定齡期試驗(yàn)結(jié)果反向擬合各項(xiàng)參數(shù)值，推算任意齡期強(qiáng)度；不同齡期的抗拉強(qiáng)度ftk可按式(4)擬合，α值一般推薦0.44，可結(jié)合特定齡期試驗(yàn)結(jié)果予以校正：

(3)

(4)

Midas/FEA仿真計(jì)算中對(duì)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(jì)算所求得各齡期抗拉強(qiáng)度值，根據(jù)混凝土配合比及抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，得到C55海工大體積混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度。

4 溫控仿真計(jì)算

4.1 模型參數(shù)

構(gòu)件尺寸：塔柱實(shí)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(jié)段約束部位為C45承臺(tái)，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(jié)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(jié)段、下橫梁為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，取其混凝土的1/4進(jìn)行水化熱[2]建模計(jì)算。計(jì)算模型網(wǎng)格劃分見圖2。

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

4.2 邊界條件

塔柱第一節(jié)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(jié)段、下橫梁大體積混凝土邊界條件取值表

(1)環(huán)境溫度：塔柱第一節(jié)段、下橫梁大體積混凝土預(yù)計(jì)工期為2021年9月下旬至10月上旬，參考?xì)J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(jié)段、下橫梁預(yù)計(jì)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)控制為上限≤30 ℃，同時(shí)參考平均氣溫進(jìn)行估算。

(3)模板材質(zhì)：針對(duì)模板和保溫層的影響，可使用放熱系數(shù)βs來等效對(duì)流換熱系數(shù)。混凝土通過保溫層對(duì)空氣進(jìn)行散熱的等效散熱系數(shù)依據(jù)式(5)進(jìn)行計(jì)算：

(5)

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

(4)養(yǎng)護(hù)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(shí)心段布設(shè)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(cuò)布置；下橫梁因張拉需要不布設(shè)冷卻水管。

塔柱實(shí)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(shí)間為7 d，塔柱入水溫度取為25 ℃，水管內(nèi)徑為40 mm，水流量取3 m3/h。

圖3 單層塔柱仿真計(jì)算冷卻水管布置示意圖

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

4.3.1 溫度計(jì)算結(jié)果

在上述條件下，塔柱第一節(jié)段、下橫梁大體積混凝土最大內(nèi)表溫差、內(nèi)部最高溫度及溫度計(jì)算結(jié)果見表5，均滿足規(guī)范要求的溫度控制標(biāo)準(zhǔn)。

表5 塔柱第一節(jié)段、下橫梁大體積混凝土溫度計(jì)算結(jié)果表

塔柱第一節(jié)段、下橫梁混凝土內(nèi)部最高溫度包絡(luò)圖見圖4。由圖4可知，塔柱部分因布設(shè)冷卻水管而溫度較低，橫梁部分因未布設(shè)冷卻水管而溫度較高；混凝土內(nèi)部溫度最高，表面溫度較低，溫度控制的核心為“外保內(nèi)散”，即內(nèi)部加強(qiáng)通水降溫、外部加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)保溫。

圖4 塔柱第一節(jié)段、下橫梁混凝土內(nèi)部最高溫度包絡(luò)圖(℃)

4.3.2 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

在上述條件下，塔柱第一節(jié)段、下橫梁大體積混凝土的不同齡期溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表6。塔柱第一節(jié)段、下橫梁不同齡期的最小抗裂安全系數(shù)為1.41(≥1.4)，滿足最小抗裂安全系數(shù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，如表7所示。

塔柱第一節(jié)段、下橫梁大體積各澆筑層混凝土早期膨脹，前3 d溫度應(yīng)力較快發(fā)展，是內(nèi)表溫差過大引起的拉應(yīng)力，主要在構(gòu)件上表面集中；混凝土養(yǎng)護(hù)后期，自身開始收縮，3 d后有部分應(yīng)力向混凝土內(nèi)部轉(zhuǎn)移并漸漸發(fā)展成較穩(wěn)定狀態(tài)。

早期混凝土周邊外表面因內(nèi)表溫差較大產(chǎn)生一定應(yīng)力集中，需通過冷卻管通水降低混凝土內(nèi)部溫度；另一方面應(yīng)加強(qiáng)外表面的保溫、保濕養(yǎng)護(hù)措施，減少混凝土內(nèi)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(yīng)力集中，應(yīng)加強(qiáng)并延長(zhǎng)變截面部位的保濕養(yǎng)護(hù)，避免應(yīng)力集中開裂。

表6 塔柱第一節(jié)段、下橫梁溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

表7 塔柱第一節(jié)段、下橫梁抗裂安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果表

5 結(jié)語

(1)塔柱第一節(jié)段、下橫梁大體積混凝土內(nèi)部最高溫度及內(nèi)表溫差均可滿足本文所制定的溫度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；各齡期安全系數(shù)均≥1.4，可滿足本文所制定的應(yīng)力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，抗裂安全性較高。

(2)塔柱第一節(jié)段、下橫梁大體積混凝土可以按照預(yù)設(shè)工況進(jìn)行施工。如果工況發(fā)生改變(如分層變化、配合比變化、澆筑時(shí)間變化等)，需對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行復(fù)核。

(3)下橫梁受兩側(cè)剛性塔身和底部基礎(chǔ)約束容易引起早期開裂，混凝土配合比應(yīng)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。