滬蓉西高速四渡河特大橋重力式錨碇混凝土溫度控制措施

王明鋒　羅志祥

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司　貴陽　550081)

滬蓉西高速四渡河特大橋重力式錨碇混凝土溫度控制措施

王明鋒羅志祥

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司貴陽550081)

摘要以湖北滬蓉西高速公路四渡河特大橋重力式錨碇大體積混凝土施工為例，介紹了為有效地解決大體積混凝土在凝結(jié)硬化過程中，水化熱產(chǎn)生較大的溫度變化和收縮作用所形成的溫度收縮應(yīng)力導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫的問題，采用武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院開發(fā)的“大體積混凝土施工期溫度場(chǎng)及仿真應(yīng)力場(chǎng)分析程序包”，計(jì)算大體積混凝土的內(nèi)部溫度場(chǎng)及仿真應(yīng)力場(chǎng)，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果，制定錨體不出現(xiàn)有害溫度裂縫的溫控標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的溫控措施，以保證工程質(zhì)量和延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)壽命。

關(guān)鍵詞大體積混凝土溫控計(jì)算溫控措施

四渡河特大橋(懸索橋)跨徑布置為900 m主橋+5×40 m引橋+228.9 m路塹，主橋?yàn)?00 m單跨雙鉸鋼桁架加勁梁懸索橋，引橋?yàn)?×40 m的預(yù)應(yīng)力T梁先簡(jiǎn)支后連續(xù)剛構(gòu)，錨碇形式同時(shí)采用重力式錨碇和隧道式錨碇。橋面至谷底高差達(dá)500 m，橋面縱坡為2.41%，橋高和橋面單斜坡2項(xiàng)數(shù)據(jù)均居目前世界第一。

四渡河特大橋重力式錨碇錨體采用30號(hào)混凝土，錨體混凝土總方量約為2萬m3，屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，每塊混凝土分層澆筑，各塊之間采用2.5 m后澆段聯(lián)結(jié)為整體，后澆段澆筑微膨脹混凝土。

1混凝土原材料及配合比

1.1　混凝土原材料

①水泥：采用葛洲壩水泥廠生產(chǎn)的低熱32.5礦渣水泥;②粉煤灰：采用襄樊天鍵公司的I級(jí)粉煤灰;③砂：一通機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)3.46;④碎石：福崗料場(chǎng)碎石，粒徑5～31.5 mm;⑤外加劑：武鋼浩源FDN-9000高效減水劑;⑥水：河水。

1.2　混凝土配合比

C30混凝土抗壓強(qiáng)度7 d為27.1 MPa，28 d為46.6 MPa；劈裂抗拉強(qiáng)度3 d為1.2 MPa，7 d為2.1 MPa，14 d為3.6 MPa，28 d為3.8 MPa。C30混凝土配合比見表1。

表1　C30混凝土施工配合比

注：配合比m(水泥)∶m(粉煤灰)∶m(砂)∶m(石)∶m(水)∶m(外加劑)=1∶0.42∶2.5∶3.83∶0.5∶0.01

1.3　混凝土水化熱

試驗(yàn)得出混凝土水化熱結(jié)果，見表2。

表2　混凝土水化熱結(jié)果

1.4材料及熱特性值

錨體混凝土標(biāo)號(hào)為C30，材料熱特性根據(jù)試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)取值，見表3。

表3　材料熱特性值

2大體積混凝土溫控計(jì)算

溫控計(jì)算采用武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院開發(fā)的“大體積混凝土施工期溫度場(chǎng)及仿真應(yīng)力場(chǎng)分析程序包”進(jìn)行，計(jì)算大體積混凝土的內(nèi)部溫度場(chǎng)及仿真應(yīng)力場(chǎng)，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果制定錨體不出現(xiàn)有害溫度裂縫的溫控標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的溫控措施。

2.1　錨體混凝土

2.1.1計(jì)算條件

(1) 錨碇錨塊由獨(dú)立的2塊組成，沿橋軸線對(duì)稱，取其中一側(cè)的大體積混凝土塊進(jìn)行1/2計(jì)算，計(jì)算時(shí)未考慮后錨塊。

(2) 錨塊總厚度為23.01 m，最大平面尺寸為25.0 m×17.6 m，分為13層澆筑，錨塊混凝土網(wǎng)格剖分見圖1。

圖1　錨塊混凝土網(wǎng)格剖分圖

(3) 計(jì)算時(shí)取基巖厚度為5.0 m，彈模取值為3.4×104MPa。

(4) 考慮冷卻水管降溫效果。每層混凝土中沿厚度方向布置直徑25 mm的冷卻水管，冷卻水管水平間距為0.9 m。

(5) 在上層混凝土覆蓋前灑水養(yǎng)護(hù)，混凝土四周用木模板養(yǎng)護(hù)，拆模后用2層土工布保溫，保溫時(shí)間為15 d。

(6) 平均風(fēng)速按6 m/s考慮。

(7) 考慮徐變對(duì)混凝土應(yīng)力的影響。

2.1.2計(jì)算結(jié)果及分析

(1) 溫度場(chǎng)主要特征值。混凝土澆筑后，一般在2～3 d即達(dá)到峰值，然后緩慢下降，上層混凝土澆筑后下層混凝土的溫度會(huì)出現(xiàn)一定程度的升高。由于錨塊混凝土較厚，水化熱很難散發(fā)，因此錨塊混凝土中部溫度較高，底部和頂部較低。各層混凝土溫度峰值見表4，最高溫度包絡(luò)圖見圖2、最大內(nèi)表溫差包絡(luò)圖見圖3。

表4　各層混凝土溫度峰值　℃

圖2　錨體最高溫度包絡(luò)圖(單位：℃)

圖3　錨體最大內(nèi)表溫差包絡(luò)圖(單位：℃)

(2) 溫度應(yīng)力場(chǎng)主要特征值。混凝土1～13層在不同齡期最大溫度主拉應(yīng)力見表5，其中28，60 d最大應(yīng)力包絡(luò)圖分別見圖4、圖5。

表5各層混凝土不同齡期最大溫度主拉應(yīng)力

層次以下齡期(d)的主拉應(yīng)力/MPa37142860第1層0.710.931.231.221.63第2層0.640.840.680.781.42第3層0.670.901.021.451.95第4層0.820.941.351.602.15第5層0.731.291.271.682.65第6層0.921.271.521.912.66第7層0.710.720.961.161.25第8層0.710.710.871.071.16第9層0.660.700.911.051.16第10層0.710.690.871.100.92第11層0.660.630.841.010.84第12層0.620.620.830.850.63第13層0.690.720.730.760.62

圖4　混凝土28 d最大應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

圖5　混凝土60 d最大應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

(3) 主要成果分析。由溫度應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果可知，各層混凝土溫度、應(yīng)力均在控制范圍內(nèi)。根據(jù)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，混凝土在各齡期均具有1.5倍以上的抗裂安全系數(shù)，因此錨塊混凝土1～13層在施工期內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)溫度裂縫。

2.2　底座混凝土

2.2.1計(jì)算條件

(1) 底座為高7 m、寬37.7 m、頂面長(zhǎng)1 m、底面長(zhǎng)5 m的柱體，擬分為3層澆筑，厚度分別為2，2.5，2.5 m，沿橋軸線對(duì)稱取1/2進(jìn)行計(jì)算，底座混凝土網(wǎng)格剖分見圖6。

圖6　底座混凝土網(wǎng)格剖分圖

(2) 混凝土澆筑時(shí)為9月份，各層混凝土澆筑溫度取值見表6。

表6　各層混凝土澆筑溫度取值　℃

(3) 取基礎(chǔ)彈模為3.4×104MPa。

(4) 考慮冷卻水管降溫效果。混凝土中沿厚度方向布置直徑25 mm的冷卻水管，冷卻水管水平間距為0.9 m。

(5) 在頂層混凝土覆蓋前灑水養(yǎng)護(hù)，混凝土四周用木模板養(yǎng)護(hù)，拆模后用土工布保溫。

(6) 由當(dāng)?shù)貧庀缶指鶕?jù)歷年統(tǒng)計(jì)資料來提供氣溫情況，平均風(fēng)力按6 m/s考慮。

(7) 混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。

(8) 取混凝土最終絕熱溫升為29.2 ℃。

(9) 混凝土線脹系數(shù)為6.61×10-6℃-1。

(10) 考慮徐變對(duì)混凝土應(yīng)力的影響。

2.2.2主要計(jì)算成果

(1) 溫度場(chǎng)主要特征值。混凝土澆筑后，一般在2～3 d即達(dá)到峰值，然后緩慢下降，上層混凝土澆筑后下層混凝土的溫度會(huì)出現(xiàn)一定程度的升高。各層混凝土溫度峰值見表7，各層混凝土最高溫度包絡(luò)圖見圖7，最大內(nèi)表溫差包絡(luò)圖見圖8。

表7　各層混凝土溫度峰值　℃

圖7底座混凝土最高溫度包絡(luò)圖

圖8　底座混凝土最大內(nèi)表溫差包絡(luò)圖

(2) 溫度應(yīng)力場(chǎng)主要特征值。各層混凝土在不同齡期最大溫度主拉應(yīng)力見表8，混凝土28,60 d最大應(yīng)力包絡(luò)圖分別見圖9、圖10。

表8　各層混凝土不同齡期最大溫度主拉應(yīng)力

圖9　混凝土28 d最大應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

圖10　混凝土60 d最大應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

(3) 主要成果分析。由溫度應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果可知，各層混凝土溫度、應(yīng)力均在控制范圍內(nèi)。根據(jù)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，底座混凝土具有1.5倍以上的安全系數(shù)，因此底座混凝土在施工期內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)溫度裂縫。

3溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)計(jì)算成果,在施工期內(nèi)為保證大體積混凝土不出現(xiàn)有害溫度裂縫,宜采取如下溫控標(biāo)準(zhǔn)。

(1) 混凝土內(nèi)部最高溫度錨體不超過43.3 ℃，底座不超過48.5 ℃。

(2) 混凝土內(nèi)表溫差不超過20 ℃。

(3) 混凝土澆注溫度不應(yīng)超過28 ℃。

(4) 混凝土降溫速率不宜超過1.5 ℃/d。

4溫控措施

4.1　優(yōu)化混凝土配合比，降低水化熱溫升[1]

優(yōu)化混凝土配合比，盡量降低水泥用量，控制水化熱溫升，是大體積混凝土溫控重要環(huán)節(jié)。在保證混凝土強(qiáng)度、和易性及坍落度要求的前提下，采取改善粗集料級(jí)配、提高摻合料和粗集料的含量、降低水膠比等措施，減少單方混凝土的水泥用量。

4.2　混凝土澆筑溫度的控制[1]

混凝土澆筑溫度最高不得超過28 ℃，否則應(yīng)采取相應(yīng)措施。

(1) 混凝土盡量在夜間氣溫較低時(shí)澆筑。

(2) 砂石料盡量堆高并采取遮陽措施。

(3) 水泥入場(chǎng)溫度不應(yīng)超過55 ℃，否則應(yīng)采取措施，如要求水泥廠家在水泥出廠前放置一段時(shí)間，或采取多次倒運(yùn)的方法降低水泥使用溫度。

(4) 當(dāng)氣溫高于入倉溫度時(shí)，提高澆筑強(qiáng)度，盡量縮短混凝土運(yùn)輸時(shí)間和曝曬時(shí)間。

(5) 混凝土泵管外用草袋遮陽，并經(jīng)常灑水降溫。

(6) 當(dāng)氣溫超過32 ℃時(shí)，采取加冰措施。

當(dāng)混凝土在冬季氣溫較低澆筑時(shí)，混凝土的澆筑溫度不宜低于10 ℃。如氣溫低于0 ℃時(shí)，可以采取拌和水加熱等技術(shù)措施。

4.3　控制混凝土澆筑間歇期[3]

各層混凝土澆筑間歇期應(yīng)控制在7 d以內(nèi)，最長(zhǎng)不得超過8 d。為降低老混凝土的約束，要做到薄層、短間歇、連續(xù)施工。為防止混凝土出現(xiàn)表面裂縫，其四周必須使用防裂鋼筋網(wǎng)，層與層之間在鑿毛后應(yīng)鋪設(shè)金屬擴(kuò)張網(wǎng)。

4.4　埋設(shè)冷卻水管及其要求

4.4.1水管位置[2]

根據(jù)混凝土內(nèi)部溫度分布特征，需在混凝土中埋設(shè)冷卻水管，冷卻水管為直徑25 mm的薄壁鋼管(壁厚為1.2 mm)，其水平間距為0.9 m，冷卻水管距混凝土表面不應(yīng)大于1.0 m，每根冷卻水管長(zhǎng)度不宜超過200 m，冷卻水管進(jìn)出水口應(yīng)集中布置，以利于統(tǒng)一管理。

4.4.2冷卻水管使用及其控制[2]

(1) 冷卻水管使用前應(yīng)進(jìn)行壓水試驗(yàn)，防止管道漏水、阻水。

(2) 混凝土澆筑到各層冷卻水管標(biāo)高后開始通水，各層混凝土峰值過后立即停止通水，通水流量應(yīng)達(dá)到20 L/min，為防止上層混凝土澆筑后下層混凝土溫度的回升，采取2次通水冷卻，通水時(shí)間根據(jù)測(cè)溫結(jié)果確定。

(3) 應(yīng)嚴(yán)格控制進(jìn)出水溫度，在保證冷卻水管進(jìn)水溫度與混凝土內(nèi)部最高溫度之差不超過25 ℃條件下，盡量使進(jìn)水溫度最低。

(4) 待通水冷卻全部結(jié)束后，采用同標(biāo)號(hào)水泥漿或砂漿封堵冷卻水管。

(5) 考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在山上設(shè)置水箱(或水槽)，供冷卻水循環(huán)使用，并且在上面搭設(shè)遮陽棚。

4.5　內(nèi)表溫差控制[3]

為了防止混凝土出現(xiàn)溫度裂縫，必須對(duì)混凝土進(jìn)行內(nèi)表溫差控制。做法如下：每層混凝土澆筑完后，混凝土側(cè)面木模板外首先覆蓋2層土工布，覆蓋1層帆布，并適當(dāng)延長(zhǎng)拆模時(shí)間，且拆模時(shí)間應(yīng)選擇1天中氣溫較高時(shí)段。拆模后0.5 h先覆蓋1層塑料薄膜，再覆蓋2層土工布保溫。每層混凝土頂面鑿毛后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)，覆蓋1層薄膜及1層麻袋或者土工布；最后一層混凝土頂面覆蓋1層薄膜及2層土工布保溫，保溫時(shí)間可根據(jù)測(cè)溫結(jié)果而定，但不應(yīng)少于15 d。

5結(jié)語

通過以實(shí)體工程對(duì)大體積混凝土的內(nèi)部溫度場(chǎng)及仿真應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果所得出的不出現(xiàn)有害溫度裂縫的溫控標(biāo)準(zhǔn)：混凝土內(nèi)部最高溫度錨體不超過43.3 ℃，底座不超過48.5 ℃；混凝土內(nèi)表溫差不超過20 ℃；混凝土澆注溫度不應(yīng)超過28 ℃；混凝土降溫速率不宜超過1.5 ℃/d。并在施工中采取優(yōu)化混凝土配合比，降低水化熱溫升、控制混凝土的澆筑溫度及澆筑的間歇時(shí)間、埋設(shè)冷卻水管通水降溫等措施，能夠有效地解決大體積混凝土在凝結(jié)硬化過程中，水化熱產(chǎn)生較大的溫度變化和收縮作用所形成的溫度收縮應(yīng)力導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生有害裂縫的問題。

參考文獻(xiàn)

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[3]GB 50496-2009大體積混凝土施工規(guī)范.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社,2009.

收稿日期：2015-06-07

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.05.008