某长江大桥承台大体积混凝土温度控制与分析
2017-07-31
随着大跨度桥梁工程的不断涌现，大体积混凝土在桥梁工程中的应用越来越多，如大跨度桥梁的基础承台、悬索桥的重力式锚碇等。同时，桥梁大体积混凝土的裂缝问题也越来越受到工程界的关注，在设计和施工过程中必须采取一系列有效措施，将裂缝的生成和扩展控制到最小程度。为了防控大体积混凝土裂缝的出现，施工前应首先优化混凝土配合比，降低水泥水化热，并进行仿真模拟计算分析，验证施工方案的合理性；施工过程中应做好混凝土的温度控制与监测，以便及时采取预防技术措施，防止温升过高、温差过大等不利情况的出现。该文以某长江大桥主墩承台大体积混凝土工程为背景，通过在施工前和施工中采取一系列温控措施，有效地防控了大体积混凝土温度裂缝的出现。
1 工程概况
某长江大桥主桥为双塔三索面预应力混凝土斜拉桥，主桥全长4657m，桥跨布置为98+196+504+196+98m；其主塔墩下部结构基础为40根直径为3.40m的大直径钻孔灌注桩，桩顶设置承台，其平面尺寸为 的切角矩形，厚度为5.0m，单个主墩承台合计浇筑混凝土3300 ，属于大体积混凝土结构，施工工程中，如果在配合比设计、温度控制、浇筑方法、混凝土养护等方面处理不当，会造成温差应力、收缩等原因形成的裂缝，影响桥梁的使用功能和运营安全。
图1 承台构造示意图（单位：mm）
2 有限元模拟
2.1 基本计算参数
1）施工资料
承台混凝土设计强度等级为C30，施工时承台分两层浇筑，二次浇筑高度同为2.5m，两层混凝土浇筑间隙期为7d， 承台混凝土冷却水管采用壁厚2.5mm、直径φ32mm的圆钢管。冷却水管平面布置如图2所示。
注：1―冷却管出水口；2―冷却管进水口；
图2 冷却水管布置平面图（单位：cm）
2）混凝土参数
承台混凝土配合比见表1，C30混凝土物理热学参数见表2
表1 承台C30混凝土配合比
水泥 粉煤灰 砂 石 水 外加剂
283 71 750 1126 170 2.83
表2 C30混凝土物理热学参数
最终弹性模量/Mpa 导热系数
密度
热胀系数
比热
绝热温升/
9.7 2400
1.0 35
2.2 模型的建立
采用通用有限元程序ANSYS对主墩承台大体积混凝土水化热温度场进行数值分析。考虑结构的对称性，取1/4实体建模，混凝土采用solid70单元模拟，水冷管采用fluid116单元模拟，水冷管与混凝土之间的热对流采用Surf152单元模拟。网格划分如图2所示，水管单元周围单元进行加密， 有限元模型的边界条件按如下考虑：1/4模型对称面取为绝热边界；承台混凝土的初始温度取为浇筑时的入模温度10℃，冷却水入口温度为12℃；流量取1.5m3/h，水管通水时间设为18天，承台底部按第一类边界条件处理，取为施工期平均气温15℃；承台混凝土与空气的接触面则采用第三类边界条件。
图3 承台网格划分
2.3 计算结果分析
图4 混凝土最大温升随龄期变化曲线
图5 无冷管承台结构温度场分布（3d）
图6 有冷管承台结构温度场分布（3d）
混凝土内部最大温升随龄期变化如图4所示，龄期为3天时无冷管和有冷管承台结构温度场分布如图5和图6所示。结果表明，无冷却水管降温的承台浇注后的最高温度达到44.77℃，表面与内部的最大温差已接近30℃。冷却水管通水流量为1.5m3/h时，承台浇注后的最高温度达到36.8℃，表面与内部的最大温差为21.8℃，有冷却水管模型相比于无冷却水管模型，前者最高温度比后者低8℃，说明冷却水管降温效果显著，因此，设计时应根据混凝土内外温差是否小于25℃来确定冷却水管的通水流量和进出水口温差。
从图4可以看出，承台内部最高温度出现双峰值现象，主要是由于分层浇筑时间间隔引起的，两层之间会有热交换，下层浇注完成后七天浇注上层，下层的温度会因为两层之间的热传导而升高，第一次和第二次浇筑温峰出现时间均为浇筑后第2～3d。
3 现场温度控制技术措施
大体积混凝土温控是对混凝土质量的全面控制。由于大体积混凝土裂缝控制的复杂性和施工过程中的不确定性，为达到温控标准的要求，现场需采取一系列温控措施进行有效监控，包括混凝土配合比优化，浇筑温度的控制，混凝土拌合、运输、浇筑、振捣到通水、养护、保温每个施工环节。
3.1合理选择混凝土原材料、优化混凝土配合比
优选材质，提高普通混凝土的抗拉性能；应用微膨胀外加剂，改善混凝土的收缩性质；选用有效的缓凝高效减水剂和粉煤灰，提高大体积混凝土的和易性，减少水化热，本工程中选用的是黄石华新P.O42.5矿渣水泥，采用 级粉煤灰，FDN-5高效减水剂，选用坚固耐久、级配良好的5～26.5mm的碎石，采用细度模数为2.7的中砂。在保证混凝土具有良好工作性的情况下，应尽可能地降低混凝土的单位用水量，采用“三低（低砂率、低坍落度、低水胶比）双掺（掺高效减水剂和高性能引气剂）一高（高粉煤灰掺量）”的设计准则，生产出高强、高韧性、中弹、低热和高抗拉性能的抗裂混凝土。
3.2 施工控制措施 在承台大体积混凝土施工过程中，从混凝土拌和、运输、浇筑到保温养护整个过程实施全程有效监控，特别对混凝土分层、浇筑温度和养护进行严格控制，保证混凝土施工质量。
（1）混凝土分层施工。根据混凝土生产能力、运输条件等因素，将承台混凝土分2层浇筑，每层浇筑2.5m，控制各层混凝土浇筑间隙期为7天左右。
（2）降低混凝土入模温度。浇筑温度根据不同的季节施工要求均作了明确的控制要求，混凝土夏季最高入模温度控制在30 ，混凝土冬季最低入模温度控制在10 ，通过测定水泥、砂、石、水的温度，估算出机温度和浇筑温度，在标准要求范围内，尽量降低混凝土的浇筑温度，降低入模温度是控制温度峰值的最有效措施之一。根据现场实际情况，提前将砂石料洒水并搭设遮阳棚来降低原材料的温度，通过冷却水拌和降低混凝土出机温度。
（3）加强保温措施。在浇筑大体积混凝土时，应在室外气温较低时进行，浇筑后的大体积混凝土应采取保温措施以减少内表温差。早期供水养护可及时抑制混凝土的早期自收缩。在混凝土达到初凝后，必须立即用塑料薄膜和草袋覆盖，防止大风和阳光曝晒，使表面水分剧裂蒸发，形成混凝土上部和下部硬化速度不均和差异收缩。因此采用可带模供水的内衬憎水塑料钢模板或透水模板。保温养护要及时、充分。环境温度较低时，如果不采取适当的保温养护措施，容易产生冷缩裂缝。根据要求，大体积混凝土内外温差、表面与环境温差应控制在20 以内，施工中执行“外保内散”的养护措施，即一方面在混凝土体内埋设冷却水管，一方面在混凝土表面盖一定厚度的湿麻袋，予以保温并避免表面水分的过快蒸发。
3.3 合理埋设冷却水管
在承台混凝土内部埋设冷却水管，通过流动的冷却水将散热条件不佳的混凝土内部热量带出，降低混凝土内部温度。同时埋设温度传感器，进行温度监测，保证承台混凝土水化热温差符合规范要求在25℃以内，冷却水进出口温差不超过6℃，并根据实际情况，及时调整水温或流量，防止水管周围温度裂缝的产生。冷却水管采用壁厚2.5mm、直径φ32mm的圆钢管。分两层按蛇形布置（如图2所示），水平间距1m，竖向层间间距2.0m，冷却管距混凝土边缘为0.5m。混凝土浇筑中和浇筑后开启水循环散热，根据计算分析结果通水流量取1.5m3/h，冷却水与混凝土之间的温度差限制在22℃以内，利用转换装置，每天更换一次通水方向，力求均匀冷却。冷却完毕后冷却管内压入与混凝土同标号的水泥净浆灌实。
4 主要结论
（1）本文分别考虑有冷却水管和无冷却水管作用，建立实体有限元模型，对大体积混凝土承台进行施工期水化热温度场分析，通过分析比较，结果表明设置冷却水管降温效果显著。其计算结果可以用于指导设计和施工，为大体积混凝土施工制定合理的温度控制方案提供依据。
（2）制定合理的温控措施，是防止大体积混凝土出现裂缝的重要保障，该长江大桥主桥桥墩承台大体积混凝土施工，由于采取了较为先进的设计和严格合理的温控方案，承台无开裂现象，施工质量良好，满足规范要求。
（3）大体积混凝土温度控制与防裂是一项系统工程，施工前优化混凝土配合比，控制混凝土浇筑温度，采取合理的施工工艺，施工中的温控措施，冷却降温措施、
养护保温条件等均对后期混凝土的内外温差和抗裂性能有重要影响。
参考文献：
[1] 刘海宽，张磊，张玉平，等. 系统温控技术在桥梁大体积混凝土工程中的应用[J]. 中外公路，2014（34）：216-222
[2] 王铁梦. 工程结构裂缝控制[M]，中国建筑工业出版社，1997
[3] 余天庆，苏骏，阖宝善，等. 天兴洲公铁两用长江大桥薄壁宽墩的防裂分析研究技术咨询报告[R].湖北工业大学，2005
[4] 林世发，王远锋. 武汉天兴洲公铁两用长江大桥薄壁宽墩身施工裂缝控制技术[J]，桥梁建设，2007.05：6-8
[5]席华桥，邓波，占文. 江顺大桥南塔承台大体积混凝土温度裂缝控制[J]. 施工技术，2013（42）：240-243
