滬通長江大橋承臺大體積混凝土動態(tài)設(shè)計養(yǎng)護技術(shù)研究

李進洲,王遠立

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,武漢　430063)

?

滬通長江大橋承臺大體積混凝土動態(tài)設(shè)計養(yǎng)護技術(shù)研究

李進洲,王遠立

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,武漢430063)

摘要：滬通鐵路滬通長江大橋為公鐵兩用橋,針對滬通長江大橋北岸正橋主墩承臺平面尺寸大、混凝土數(shù)量多的工程特點,進行大體積混凝土溫控方案設(shè)計,計算承臺大體積混凝土的內(nèi)部溫度場及仿真應(yīng)力場,并根據(jù)計算結(jié)果制定出控制有害溫度裂縫的溫控標準和相應(yīng)的溫控措施,提出“動態(tài)設(shè)計養(yǎng)護”法。施工實踐表明,設(shè)計混凝土最優(yōu)養(yǎng)護曲線,適時動態(tài)調(diào)整養(yǎng)護措施,可有效控制承臺大體積混凝土裂縫。

關(guān)鍵詞：滬通鐵路；長江大橋；承臺；大體積混凝土；裂縫控制；動態(tài)設(shè)計養(yǎng)護

1工程概況

滬通長江大橋全長11 076.262 m，大橋北岸為南通市，南岸為張家港，見圖1。滬通長江大橋北岸引橋和北岸正橋(HTQ-1標段)工程范圍為5.066 km，自南接南岸(HTQ-2標)主通航孔斜拉橋(均為沉井基礎(chǔ))，往北依次為跨橫港沙淺水區(qū)21×112 m簡支鋼梁橋、跨天生港(140+336+140) m鋼梁柔性拱專用航道橋、跨長江北大堤2×112 m簡支鋼梁橋，以及長江北大堤外側(cè)北引橋[1-3]。

滬通長江大橋北岸正橋主要包括跨橫港沙橋、跨天生港專用航道橋及跨北岸大堤橋。其中，跨橫港沙21×112 m簡支鋼桁簡支梁橋起止墩號為5號～26號墩，跨天生港專用航道橋起止墩號為2號～5號墩，跨北岸大堤橋起止墩號為0號～2號墩。滬通長江大橋北岸正橋承臺主要參數(shù)見表1[1]。

圖1　滬通長江大橋橋式概略圖(單位：m)

滬通長江大橋北岸正橋3號、4號主墩承臺為深水區(qū)深埋式承臺，采用雙壁鋼套箱圍堰方案施工(圖2(a))。鋼套箱內(nèi)輪廓尺寸為55.0 m×25.0 m，外輪廓尺寸為58 m×28 m，壁體厚度1.5 m。鋼套箱壁體澆筑圍堰隔倉混凝土。封底混凝土厚度為5 m，封底方量約6 875 m3，一次封底到位。承臺高度為6.5 m，混凝土分兩層(3.0 m+3.5 m)澆筑，鋼筋分兩次綁扎。承臺混凝土采用C45混凝土。

表1滬通長江大橋北岸正橋承臺參數(shù)

圖2　滬通長江大橋北岸正橋承臺布置示意(單位：cm)

承臺墩號承臺尺寸/m長寬高單個承臺混凝土數(shù)量/m3承臺混凝土強度等級澆筑方式0號墩36.019.24.53114.8C40一次澆筑1號墩38.221.15.04030.5C40分兩層澆筑2、5號墩43.025.05.05383.2C45分兩層澆筑3、4號墩55.025.06.58949.5C45分兩層澆筑6、24號墩43.025.05.05384.5C40分兩層澆筑7～23號墩38.221.15.04030.5C40分兩層澆筑25號墩49.425.05.506806.0C40分兩層澆筑

2號墩緊鄰吹填沙灘，5號墩位于淺水中，采用鋼板樁圍堰施工承臺。承臺平面輪廓尺寸為43.0 m×25.0 m，承臺高度為5 m，分兩層(2.5 m+2.5 m)澆筑，采用C40混凝土(圖2(b))。10～23號墩承臺平面輪廓尺寸均為38.2 m×21.1 m，承臺高度為5.0 m，分兩層澆筑，每層高度2.5 m，采用C40混凝土。

根據(jù)設(shè)計文件和規(guī)范要求，滬通長江大橋北岸正橋主墩承臺屬大體積混凝土，其水化熱量大，施工中應(yīng)考慮相應(yīng)的工藝技術(shù)措施，需對大體積混凝土溫度進行監(jiān)測，控制混凝土的內(nèi)表溫差在25 ℃以內(nèi)，防止混凝土內(nèi)表溫差過大產(chǎn)生裂縫。

為防止構(gòu)件產(chǎn)生裂縫縮短橋梁使用壽命，需對大體積混凝土結(jié)構(gòu)進行合理的溫控設(shè)計與控制，以保證混凝土使用壽命和運行安全。針對滬通長江大橋北岸正橋主墩承臺平面尺寸大、混凝土數(shù)量多的工程特點，進行了大體積混凝土溫控方案設(shè)計，計算了承臺大體積混凝土的內(nèi)部溫度場及仿真應(yīng)力場，并根據(jù)計算結(jié)果制定出控制有害溫度裂縫的溫控標準和相應(yīng)的溫控措施，提出了“動態(tài)設(shè)計養(yǎng)護”法。施工實踐結(jié)果表明，設(shè)計混凝土最優(yōu)養(yǎng)護曲線，適時動態(tài)調(diào)整養(yǎng)護措施，有效控制了承臺大體積混凝土裂縫。

2溫控計算與分析

2.1　計算依據(jù)與參數(shù)的選取

混凝土澆筑后的溫度與水泥的水化熱溫升、混凝土澆筑溫度和澆筑進度、外界氣溫、表面保護等多種因素有關(guān)。溫度計算結(jié)果的準確性除了選擇恰當(dāng)?shù)挠嬎惴椒ㄍ猓€有賴于與上述因素有關(guān)的基本條件和材質(zhì)參數(shù)的正確選取[4-7]。本文溫度計算中用到的水泥水化熱，混凝土配合比、強度、彈性模量及氣溫參數(shù)均通過試驗及相關(guān)規(guī)范資料選取。

(1)混凝土性能

①混凝土配合比

根據(jù)表1，滬通長江大橋北岸正橋主墩承臺混凝土設(shè)計強度等級為C40和C45兩種，其配合比見表2。

表2　承臺混凝土配合比　kg/m3

②混凝土物理熱學(xué)參數(shù)

按照《水運工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術(shù)規(guī)程》(JTS 202-1—2010)，有關(guān)承臺混凝土物理熱學(xué)參數(shù)匯總見表3。

表3　承臺混凝土物理熱學(xué)參數(shù)

注：混凝土絕熱溫升按水化熱試驗結(jié)果折算取值。

根據(jù)本工程施工試驗室試驗結(jié)果，不同齡期混凝土的彈性模量

(1)

混凝土不同齡期的絕熱溫升

(2)

式中，τ為齡期，d；θ為在齡期τ的絕熱溫升。

(2)溫度初始條件與邊界條件

在不同的日期澆筑混凝土?xí)r，應(yīng)選取不同的氣溫和澆筑溫度。滬通長江大橋橋址區(qū)東臨黃海，地處長江河口段中緯度地帶，屬北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，具有氣候溫和、雨水充沛、寒暑干濕變化顯著、四季分明的氣候特征。有關(guān)南通市2000～2014年統(tǒng)計氣象數(shù)據(jù)見表4。

表4　南通市氣象指標

依據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料和原材料溫度的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，按照表2提供的基準混凝土配合比，根據(jù)《水運工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術(shù)規(guī)程》(JTS 202-1—2010，附錄)對不同澆筑月份的混凝土出機口溫度進行估算。考慮采取水泥進場溫度控制、粗骨料遮陽、拌和水冷卻等方式控制原材料溫度：水泥溫度控制低于60 ℃、粉煤灰溫度控制低于35 ℃、拌和水溫度控制低于10 ℃。出機口溫度估算結(jié)果見表5。

從表5可以看出，在1月～8月及11月～12月施工，C40/C45混凝土出機口溫度可以控制為12.0～27.5 ℃。

表5　不同月份出機口溫度估算　℃

參考其他工程經(jīng)驗[4-13]，按照混凝土攪拌車運輸時間20～30 min、振搗時間1 min、日平均最高氣溫25～35 ℃，根據(jù)《水運工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術(shù)規(guī)程》(JTS 202-1—2010)對出機口溫度進行計算(計算方法見附錄A)。計算結(jié)果表明：高溫季節(jié)施工工藝下，本工程混凝土運輸及澆筑過程中的溫升約2 ℃。則承臺施工的5、6、7、8月份C40/C45混凝土預(yù)估澆筑溫度為24.1、26.6、27.6、29.5 ℃。仿真計算時澆筑溫度根據(jù)不同月份分別取值。

2.2　溫控計算

(1)計算方法

計算溫度時，由于主墩承臺的厚度與平面尺寸相比較小，可簡化為一維問題計算，但考慮到封底混凝土(墊層混凝土)和下部結(jié)構(gòu)的影響及應(yīng)力計算的方便，仍采用三維有限元法計算，將溫度場和應(yīng)力場納入一個統(tǒng)一的網(wǎng)格和程序計算[12]。

計算溫度時，考慮了冷卻水管的作用(承臺每1 m混凝土沿厚度方向布置1層φ32 mm的冷卻水管，冷卻水管水平、豎直間距為1 m)，方法是沿水管取一系列垂直截面，在兩截面間按平面溫度場考慮冷卻水與混凝土之間的熱平衡，算出冷卻水吸熱的溫度上升，得到下一單元的初始水溫，再計算下一單元的混凝土溫度和水溫上升，如此重復(fù)計算即可得到每個時段的溫度場。

計算應(yīng)力時，考慮混凝土彈性模量隨時間的變化；對時間分段取直，取每個時段中點的彈性模量值為該時段的彈性模量，分別計算出每個時段的應(yīng)力增量后再迭加。第n個時段的應(yīng)力

(3)

式中，Δσi為第i時段的應(yīng)力增量。

混凝土具有徐變效應(yīng)，會隨時間而松弛，其徐變應(yīng)力

(4)

式中，σ*為t時刻的徐變應(yīng)力；Δσi為第i時段的彈性應(yīng)力增量；Kp(t，τ)為松弛系數(shù)。

(2)計算工況

計算溫度和應(yīng)力時均考慮封底混凝土(墊層混凝土)及樁基約束的影響，計算時取基礎(chǔ)彈性模量為3.0×104MPa。

(3)計算承臺溫度時的邊界條件

計算承臺溫度時，對應(yīng)選取以下3種邊界條件。

①在封底混凝土(墊層混凝土)底面，認為底面溫度等于江水溫度，采用第一類邊界，即

(5)

式中，f(τ)為江水溫度。

②承臺頂面和斜面，采用第三類邊界，即

(6)

式中，T為混凝土表面溫度；Ta為氣溫；β為表面放熱系數(shù)，取β=82.2 kJ/m2·h·℃。

③混凝土分層澆筑時，按照第四類邊界處理，即

(7)

2.3　計算結(jié)果

按照表1中統(tǒng)計的承臺參數(shù)，分別對2號墩、3號墩、13號墩、16號墩和17號墩承臺進行了溫控計算，有關(guān)結(jié)果如下。

(1)溫度計算特征值

承臺內(nèi)部最高溫度包絡(luò)圖見圖3。

圖3　承臺最高溫度包絡(luò)圖(單位：℃)

溫度計算特征值見表6。

表6　溫度計算特征值　℃

注：2號墩為2014年11月至12月澆筑，澆筑溫度按15 ℃計算；3號墩為2014年12月1日至12月31日澆筑，澆筑溫度按10 ℃計算；13號墩為2015年5月初澆筑，澆筑溫度按27 ℃計算；16號墩和17號墩為2015年7月到8月，澆筑溫度按27 ℃計算。

(2)溫度應(yīng)力計算特征值

承臺溫度應(yīng)力場計算結(jié)果見表7。

2.4　結(jié)果分析

從圖3和表6中可以看出混凝土內(nèi)部溫度較高，混凝土表面及側(cè)面自然散熱較慢，混凝土內(nèi)部熱量靠自然降溫難以釋放，混凝土內(nèi)部熱量釋放主要依靠冷卻水管作用，應(yīng)優(yōu)化中間部位水管布置、升溫期間加強混凝土內(nèi)部通冷卻水，降溫期控制降溫速率，注意表面保溫。

由表7可以看出，由于溫度升高，混凝土早期各向變形均表現(xiàn)為膨脹變形，混凝土內(nèi)部應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力，表面應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力，承臺早期(3 d)溫度應(yīng)力主要集中于上表面；而溫度峰值過后，混凝土處于降溫期時，混凝土開始收縮變形，混凝土拉應(yīng)力逐漸傳遞到內(nèi)部，此時混凝土內(nèi)部應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力，表面應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力，混凝土內(nèi)部拉應(yīng)力增大。由此可見混凝土若出現(xiàn)早期開裂，一般裂縫較淺；而后期開裂則很可能是深層裂縫，危害性很大。

圖4　5號墩溫控測點布置(單位：cm)

墩號2號墩3號墩13號墩16號墩和17號墩溫度應(yīng)力場齡期3d7d28d半年第一層溫度應(yīng)力/MPa1.211.652.182.12第二層溫度應(yīng)力/MPa1.331.401.681.51同期劈拉強度試驗值/MPa1.752.483.934.37最小安全系數(shù)1.321.51.812.06第一層溫度應(yīng)力/MPa1.221.452.351.86第二層溫度應(yīng)力/MPa1.351.061.101.0同期劈拉強度試驗值/MPa1.882.684.214.57最小安全系數(shù)1.391.851.792.46第一層溫度應(yīng)力/MPa1.392.012.902.30第二層溫度應(yīng)力/MPa1.441.962.181.85同期劈拉強度試驗值/MPa1.882.683.94.57最小安全系數(shù)1.311.331.451.99第一層溫度應(yīng)力/MPa1.451.762.732.22第二層溫度應(yīng)力/MPa1.471.801.851.63同期劈拉強度試驗值/MPa1.882.684.214.57最小安全系數(shù)1.271.491.542.06

根據(jù)上面的計算結(jié)果，混凝土養(yǎng)護過程按照時間劃分可分為溫升期和降溫期兩個過程，升溫期內(nèi)部溫升較快、應(yīng)變增長也快，須及時覆蓋保溫；降溫期雖然溫度降低較慢，但是混凝土收縮效應(yīng)凸現(xiàn)，混凝土收縮拉應(yīng)變和降溫拉應(yīng)變疊加在一起是比較危險的，所以降溫期必須依據(jù)溫度應(yīng)變數(shù)據(jù)，科學(xué)地動態(tài)調(diào)整養(yǎng)護措施。

3監(jiān)控指標

現(xiàn)場養(yǎng)護監(jiān)控的目標是：通過對溫度場及應(yīng)力場分布的實時監(jiān)控，為混凝土科學(xué)養(yǎng)護提供量化依據(jù)，動態(tài)調(diào)整養(yǎng)護措施，以保證溫度場和應(yīng)力場分布近似于最優(yōu)養(yǎng)護曲線，最終達到縮小甚至消除混凝土出現(xiàn)有害裂縫的目的。

一般情況下，需要按照氣溫、混凝土配合比、結(jié)構(gòu)尺寸、約束情況等具體條件確定監(jiān)控指標[3-12]。根據(jù)GB 50496規(guī)范要求和本工程的實際情況，對承臺制定溫控標準，見表8。

表8　承臺溫控標準

4溫控方案

根據(jù)前面有限元計算數(shù)據(jù)，分析結(jié)構(gòu)的混凝土溫度場和應(yīng)力場分布規(guī)律，從而判斷混凝土的主控截面和截面主應(yīng)力方向，科學(xué)布置傳感器的分布和安裝方向，制定溫度測點布置方案。

本文分別對0號臺、3號墩、5～7號墩、10號墩和13號墩承臺埋設(shè)了溫控傳感器，這里為了節(jié)省篇幅僅對5號墩的情況進行描述，其他墩布置均與5號墩類似。

5號墩承臺混凝土第一次澆筑厚為2.5 m，布置3層溫度測點，每層6個。根據(jù)承臺結(jié)構(gòu)的對稱性和溫度變化的一般規(guī)律，在承臺中心線對稱的1/4區(qū)域布設(shè)測點，距承臺混凝土底面分別為0.5、1.2、2.0 m。測點布置見圖4。

5動態(tài)養(yǎng)護

在養(yǎng)護期間，必須根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，科學(xué)地、動態(tài)地調(diào)整養(yǎng)護措施，以保證溫度場和應(yīng)力場分布近似于最優(yōu)養(yǎng)護曲線，保證裂縫控制的順利實施。當(dāng)現(xiàn)場所測得的溫控指標接近所設(shè)置的溫度警戒值，并有繼續(xù)超限的趨勢時，及時調(diào)整養(yǎng)護措施。

(1)當(dāng)內(nèi)外溫差過大時，應(yīng)迅速將養(yǎng)護土工布覆蓋好，調(diào)整保溫層和覆蓋層的厚度，以此來縮小混凝土內(nèi)外溫差(圖5)。

圖5　土工布覆蓋

(2)當(dāng)降溫速率過大時，應(yīng)及時檢查混凝土表面是否有局部積水現(xiàn)象，表面保溫層是否覆蓋完全，是否存在混凝土表面發(fā)白等失水問題，一旦發(fā)現(xiàn)必須及時解決。

(3)當(dāng)局部拉應(yīng)力過大時，應(yīng)結(jié)合內(nèi)外溫差、降溫速率等控制指標綜合考慮，找出成因，及時解決。若是環(huán)境氣溫下降造成局部拉應(yīng)變過大，可考慮采取局部加熱措施。

(4)混凝土澆筑至溫峰前承臺冷卻水管必須通最大水流量，盡量削減混凝土溫峰；溫峰過后(以現(xiàn)場測溫數(shù)據(jù)為準)通水量根據(jù)降溫速率進行調(diào)整，防止降溫過快引起的混凝土開裂。

圖6　5號墩承臺監(jiān)測結(jié)果

監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，實時動態(tài)養(yǎng)護效果極佳(圖6和圖7，僅列5號墩的數(shù)據(jù))，鑿毛后經(jīng)查看未發(fā)現(xiàn)可見裂縫。上表面采用蓄水養(yǎng)護、確保混凝土內(nèi)表溫差在25 ℃控制范圍內(nèi)，避免表面塑性開裂。

圖7　5號墩承臺澆筑、養(yǎng)護、監(jiān)測

6結(jié)語

通過“動態(tài)設(shè)計養(yǎng)護”法，分別完成滬通長江大橋北岸正橋12個承臺(0～3號墩、5～7號墩、10～13號墩和15號墩)，均達到了預(yù)期裂縫控制目標，混凝土拆模后均無明顯裂縫，充分體現(xiàn)了該方法的有效性。“動態(tài)設(shè)計養(yǎng)護法”之所以能在滬通長江大橋上獲得圓滿成功，主要在于有符合現(xiàn)場實際的有限元計算分析，有行之有效的溫控方案，有科學(xué)的動態(tài)養(yǎng)護調(diào)整，這3個方面落實得越好，該方法的效果越明顯。

參考文獻：

[1]滬通長江大橋建設(shè)指揮部.滬通長江大橋指導(dǎo)性施工組織設(shè)計[Z].南通：滬通長江大橋建設(shè)指揮部，2014.

[2]高宗余.滬通長江大橋主橋技術(shù)特點[J].橋梁建設(shè)，2014(2)：1-5.

[3]李進洲，王遠立.滬通長江大橋超長鉆孔樁優(yōu)質(zhì)PHP泥漿施工技術(shù)研究[J].鐵道標準設(shè)計，2015(10)：83-91.

[4]魏尊祥，夏興佳，李飛，等.橋梁承臺大體積混凝土溫度場監(jiān)測與數(shù)值分析[J].公路交通科技，2014，31(4)：82-86.

[5]蘇駿，田樂松.大體積混凝土溫控技術(shù)及熱工計算[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2010，30(2)：5-7.

[6]劉偉.矮塔斜拉橋承臺大體積混凝土水化熱分析與裂縫預(yù)防[J].施工技術(shù)，2014(12):204-207.

[7]張忠.核反應(yīng)堆廠房基礎(chǔ)整澆溫度應(yīng)力有限元分析及測試研究[D].天津：天津大學(xué)，2012.

[8]龐健，柏興偉.灌河大橋承臺大體積混凝土溫控措施及監(jiān)測分析[J].公路交通科技:應(yīng)用技術(shù)版，2014(12)：289-293.

[9]高紀兵，何官健，雷江洪，等.蘇通大橋大體積承臺混凝土溫控研究[J].施工技術(shù)，2005(1)：242-246.

[10]劉山洪，高麗，王一，等.大跨PC連續(xù)剛構(gòu)橋大體積混凝土承臺溫控措施研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2008(11)：888-891.

[11]孫小猛，徐登云.基于多目標優(yōu)化的大體積混凝土承臺冷卻水管布置研究[J].鐵道標準設(shè)計，2014(5)：74-77.

[12]朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[D].北京：中國水利水電出版社，2012.

[13]張心斌，程大業(yè)，等.核電站大體積混凝土裂縫控制及施工技術(shù)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

Study on Dynamic Curing Design of Pile Cap Massive Concrete of Shanghai-Nantong Yangtze River BridgeLI Jin-zhou, WANG Yuan-li

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063, China)

Abstract：Shanghai-Nantong Yangtze River Bridge on Hu-Tong Railway is a combined highway and railway bridge. In the light of characteristics of massive concrete of main span pile cap of Hu-Tong Yangtze River Bridge, temperature control scheme for massive concrete is designed and internal temperature field and simulation stress field are calculated with finite element analysis. Based on calculation results, temperature control standards and measures for preventing harmful cracks are put forward. At the same time, the method of dynamic curing design is presented. Designing optimal concrete curing curve and timely adjusting maintenance measures are effective in controlling cracks of pile cap massive concrete.

Key words：Shanghai-Nantong Railway; Yangtze River Bridge; Pile cap; Massive concrete; Crack control; dynamic curing design

中圖分類號：U445.55+9

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.020

文章編號：1004-2954(2016)02-0093-06

作者簡介：李進洲(1975—)，男，工程師，2013年畢業(yè)于中南大學(xué)土木工程學(xué)院，工學(xué)博士，E-mail：Li_jinzhou0910@126.com。

收稿日期：2015-07-05； 修回日期：2015-07-08