基于溫度應(yīng)力分析的轉(zhuǎn)運(yùn)平臺大體積混凝土施工優(yōu)化工藝

董佳鵬，蔡琦

（中交一航局第五工程有限公司，河北 秦皇島 066002）

1 工程概況

國投湄洲灣煤炭碼頭一期工程轉(zhuǎn)運(yùn)平臺長39 m，寬33 m，共需澆筑C40混凝土3 349 m3，C40混凝土配合比如表1所列。轉(zhuǎn)運(yùn)站平臺采用分區(qū)分層澆筑，第一層澆筑至+9.87 m、層高1.17 m，第二層澆筑至+11.0 m、層高1.13 m。圖1為轉(zhuǎn)運(yùn)站平臺分區(qū)分層澆筑示意圖。由于轉(zhuǎn)運(yùn)平臺尺寸較大，混凝土膠凝材料含量較高，施工難度大，極易產(chǎn)生裂縫。

2 轉(zhuǎn)運(yùn)站平臺大體積混凝土溫度應(yīng)力仿真分析

2.1 有限元分析模型的建立

根據(jù)轉(zhuǎn)運(yùn)平臺設(shè)計(jì)圖紙尺寸，采用midasCivil建立有限元模型如圖2所示。根據(jù)混凝土配合比，轉(zhuǎn)運(yùn)平臺混凝土標(biāo)號為C40，粉煤灰水化熱拆減系數(shù)取0.8，經(jīng)過計(jì)算，膠凝材料當(dāng)量值為439 kg。按照施工組織設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)運(yùn)平臺澆筑順序和時(shí)間間隔為一層1區(qū)→（4 d）4區(qū)→（5 d）2區(qū)→（3 d）3區(qū)→（7 d） 二層 1區(qū)→（2 d）4區(qū)→（2 d）2區(qū)→（2 d）3區(qū)。轉(zhuǎn)運(yùn)站平臺大體積混凝土溫度應(yīng)力仿真分析嚴(yán)格按照施工組織設(shè)計(jì)和現(xiàn)場實(shí)際邊界條件進(jìn)行。

表1 C40混凝土配合比Table1 Mix proportion of concrete C40

圖1 轉(zhuǎn)運(yùn)站平臺分區(qū)分層澆筑示意圖Fig.1 Sketch of layered and zoned casting for transfer platform

圖2 轉(zhuǎn)運(yùn)平臺有限元模型Fig.2 Thefinite element model of transfer platform

2.2 溫度應(yīng)力仿真分析結(jié)果

1）溫度場計(jì)算結(jié)果

按照實(shí)際澆筑順序及時(shí)間間隔轉(zhuǎn)運(yùn)平臺一層1區(qū)仿真計(jì)算齡期為4 d。混凝土澆筑完成后第48 h溫度達(dá)到最高為61.2℃，溫度場計(jì)算結(jié)果如圖3和圖4所示。其他區(qū)塊溫度場仿真分析結(jié)果如表2所列。

圖3 轉(zhuǎn)運(yùn)平臺一層1區(qū)48 h溫度場Fig.3 Thetemperaturefield at area 1 layer 1 of transfer platform in 48 h

圖4 轉(zhuǎn)運(yùn)平臺一層1區(qū)48 h溫度場剖面圖Fig.4 Cross-section of thetemperaturefield at area 1 layer 1 of transfer platform in 48 h

表2 轉(zhuǎn)運(yùn)平臺大體積混凝土溫度應(yīng)力仿真分析結(jié)果匯總Table 2 Simulating analysis results on temperature stress of transfer platform large volume concrete

2）應(yīng)力場計(jì)算結(jié)果

轉(zhuǎn)運(yùn)平臺一層1區(qū)混凝土澆筑完成后表面SIG-XX應(yīng)力最大點(diǎn)隨時(shí)間變化如圖5所示。其他區(qū)塊溫度應(yīng)力仿真分析結(jié)果如表2所列。

圖5 轉(zhuǎn)運(yùn)平臺SIG-XX應(yīng)力最大點(diǎn)隨時(shí)間變化圖Fig.5 Variation of the maximum stress point of transfer platform with time

根據(jù)文獻(xiàn)[1]、[2]規(guī)定，抗裂安全系數(shù)K的取值范圍為1.3～1.8。從表2所列抗裂安全系數(shù)據(jù)可以看出，僅一層4區(qū)為1.33勉強(qiáng)符合規(guī)范要求，其他各區(qū)均不滿足規(guī)范規(guī)定。因此可以預(yù)測，轉(zhuǎn)運(yùn)平臺出現(xiàn)裂縫的可能性極大。

3 轉(zhuǎn)運(yùn)站平臺大體積混凝土施工工藝的優(yōu)化

表2中抗裂安全系數(shù)值雖然大多數(shù)不符合相關(guān)規(guī)范要求，但與規(guī)范規(guī)定值也比較接近，因此就有可能通過優(yōu)化施工工藝來達(dá)到減少或防止裂縫出現(xiàn)的目的。

1）優(yōu)化二次投料法攪拌工藝

目前的二次投料法攪拌工藝是在攪拌混凝土?xí)r，是采取先把水、膠凝材料和砂拌和后，再投放粗骨料進(jìn)行攪拌的工藝。這種攪拌工藝即為二次投料法，也稱為裹砂法。這種二次投料法具有無泌水現(xiàn)象、減少先后澆筑的混凝土強(qiáng)度差的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)還可以有效阻止水分向粗骨料與水泥砂漿面的集中，這樣可使硬化后的混凝土界面過渡層的結(jié)構(gòu)變得更加致密、與粗骨料的黏結(jié)力得到提高，從而使混凝土強(qiáng)度提高約10%，同時(shí)也提高了混凝土的極限拉伸值。但在本工程實(shí)踐中，這種方法會引起一定的拌和水流失，從而導(dǎo)致坍落度損失。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，經(jīng)過多次試拌研究，采取先把70%的拌和水、膠凝材料和砂充分?jǐn)嚢韬?，再投放粗骨料，最后加入剩?0%的水進(jìn)行攪拌的新方法，達(dá)到了預(yù)期目的。

2）對已澆筑混凝土進(jìn)行二次振搗

混凝土澆筑完成后，可能因泌水現(xiàn)象在粗骨料、鋼筋界形成空隙，這樣就可能會使混凝土與鋼筋之間的握裹力降低，同時(shí)也可能因混凝土沉落而出現(xiàn)裂縫。為了減少混凝土內(nèi)部微裂縫，提高混凝土的密實(shí)度，可以在混凝土初凝前進(jìn)行二次振搗，這樣可使混凝土抗拉強(qiáng)度提高約10%～20%，從而達(dá)到提高混凝土抗裂性的目的。但混凝土的二次振搗必須把握好恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間點(diǎn)，這個(gè)時(shí)間點(diǎn)是指混凝土振搗后尚能恢復(fù)到塑性狀態(tài)的時(shí)間，這是二次振搗的關(guān)鍵。確定恰當(dāng)?shù)亩握駬v時(shí)間點(diǎn)的方法，是將運(yùn)轉(zhuǎn)著的振搗棒靠其自身的重力逐漸插入混凝土中進(jìn)行振搗，在振搗棒慢慢拔出時(shí)，混凝土仍能自行閉合，同時(shí)混凝土不會留下孔洞，此時(shí)就可以認(rèn)為是進(jìn)行二次振搗的最恰當(dāng)時(shí)間。

3）進(jìn)一步降低混凝土的入模溫度

降低混凝土入模溫度，采用如下兩種方法：

①拌和水加冰

按照配合比中拌和用水的重量，將50%的拌和水用冰屑來代替[3]。經(jīng)過實(shí)測，混凝土的出機(jī)溫度較拌和水未加冰時(shí)平均降低了5.1℃。

②早晨澆筑

混凝土澆筑時(shí)間選擇在清晨4—5點(diǎn)開始，此時(shí)混凝土骨料溫度較白天平均低10℃左右，混凝土入模溫度進(jìn)一步降低。

4） 充分保溫保濕養(yǎng)護(hù)

對混凝土內(nèi)部溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)混凝土內(nèi)部溫峰過后，降溫速率達(dá)到1℃/d時(shí)，在混凝土表面首先覆蓋1層無紡布并充分灑水潤濕，然后蓋1層塑料薄膜，最后蓋上土工布和棉被，進(jìn)行保溫保濕養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)工作安排專人負(fù)責(zé)，以保證養(yǎng)護(hù)工作的連續(xù)性，實(shí)行24 h輪崗工作制。保溫保濕養(yǎng)護(hù)持續(xù)15 d，保溫層的拆除根據(jù)溫度監(jiān)測情況分層逐步進(jìn)行。

實(shí)踐結(jié)果表明，采取了上述施工工藝優(yōu)化措施后，轉(zhuǎn)運(yùn)平臺未出現(xiàn)明顯裂縫。

4 結(jié)語

為確保施工質(zhì)量，在大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工前必須進(jìn)行溫度應(yīng)力驗(yàn)算，并根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果來確定相應(yīng)的防裂技術(shù)措施。如果抗裂安全系數(shù)不符合相關(guān)規(guī)范要求，但與規(guī)范規(guī)定值也比較接近，就可以通過優(yōu)化施工工藝來達(dá)到防裂的目的。