大跨度懸索橋錨碇大體積砼溫控技術

楊寧　曾旅中

【摘 要】選擇某座大跨度懸索橋錨碇的錨塊大體積砼施工實例，利用MIDAS軟件建立了該橋錨碇錨塊大體積砼溫控數值計算模型，以溫控數值計算結果為判別依據確定了錨碇錨塊大體積砼分層分塊及保溫溫控施工方案，對錨碇錨塊大體積砼施工全過程進行實時溫度監測與調整，實現了錨碇錨塊大體積砼的信息化施工，根據實時監測溫度及時調整冷卻水通水和保溫保濕養護等溫控措施。該橋錨碇錨塊大體積砼澆注完成，其各結構層未出現溫度裂縫。

【關鍵詞】橋梁工程；大跨度懸索橋；大體積砼；錨碇；溫控

0 前言

大體積砼施工規范規定：砼結構物最小尺寸不小于1m的大體量砼，或預計會因砼中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導致有害裂縫產生的砼為大體積砼[1]。工程師對大體積砼問題的關注，是從對大型水壩的施工質量控制開始的，國外開展的系統研究較早。自1930年后，工程師們開始注意大體積砼的裂縫問題，并且認識到溫度梯度引起的溫度應力是大體積砼裂縫產生的根本原因。1933年美國在建造221m高的胡佛壩時，對大體積砼進行研究，實施了多項溫控技術措施，取得了良好的溫控效果。至20世紀60年代，大壩砼的溫控已經取得了較多的研究成果，形成了一套比較有效的防裂措施[2-7]。我國大體積砼水工工程的建設起步相對較晚，從20世紀50年代開始重視研究大體積砼的溫度裂縫問題，溫控技術發展迅速，日趨成熟[8-10]。應用于三峽工程壩體建設取得了成功。在橋梁工程中大體積砼也廣泛應用。由于大跨徑橋梁中應用的大體積砼結構的砼配合比、結構形狀與約束條件等都與壩體工程中的大不相同，國內對橋梁工程大體積的溫控防裂技術的研究也有不少。國內已建成的大跨徑橋梁中，少部分大跨橋梁雖然在大體積砼施工中也采取了一些溫控技術措施，但仍出現了一些溫度裂縫[11]。橋梁結構一旦出現了超過一定寬度的裂縫，輕則導致結構鋼筋生銹，保護層脫落，需要局部修補加固，重則可能導致橋梁結構倒塌，威脅人民生命和財產安全。本文以某大跨度懸索橋錨碇大體積砼施工為背景，按照預測時間和天氣進行溫控預測計算，根據計算結果提出并修正大體積砼溫控方案，為該橋錨碇大體積砼施工提供技術支持。

1 工程背景

該橋為單跨簡支大跨懸索橋，其跨徑布置為200+856+190m。該橋主纜的矢跨比為1/10，主梁鋼桁梁全長為854m，索塔為門式框架結構，該懸索橋兩岸均采用了重力式錨碇。立面布置見圖1。

該橋兩岸錨碇均分為左、右兩幅。一岸錨塊高32m，采用C30砼，分17層澆筑，平面最大尺寸為31.5×46m，澆筑厚度分為1.5m×2層、2.0m×13層、1.5m×2層。砼一次澆筑的最大方量為1383.6 m3。其分層情況見圖4和表2。另一岸錨塊高29m，采用C30砼，分16層澆筑，平面最大尺寸為30.5×56.7m，澆筑厚度分為2m×6層、1.5m×4層、2m×4層、1.5m×2層。散索鞍基礎高23.5m，采用C40砼，分13層澆筑，澆筑厚度分為1.5m×2層、2.0m×2層、1.5m×2層、2.0m×2層、2.0m×4層、1.5m×1層。砼一次澆筑的最大方量為1644.6 m3。一岸錨碇分層澆筑示意見圖2。錨塊采用C30砼，采用的配合比見表1，散索鞍支墩采用C40砼，限于篇幅其配合比略。

2 溫控數值分析

2.1 數值模型參數的確定

（1）砼彈性模量

測得砼彈性模量值見表2所示。

（2）砼的抗拉強度

測得砼的劈裂抗拉強度與軸拉強度見表3所示。

（3）砼的絕熱溫升

做了混凝土絕熱溫升試驗，得到水泥的水化熱見表4所示。

（4）冷卻水管布置參數

砼內部設置管冷，管冷水平間距和豎直間距一般均為0.75m。管冷計算參數取值見表5。

（5）砼的熱力學參數

通過查閱相關文獻和參考資料[9-11]，砼的熱力學參數取值見表6。

（6）大氣氣溫

溫控方案確定時工地大氣氣溫參考了該地區氣象站測量得到近四年的月平均氣溫和月最低、最高氣溫資料；而在實時溫控計算時，大氣氣溫取實測值。

（7）砼的入模溫度

溫控方案確定時砼入模溫度取大氣氣溫減3度；而在實時溫控計算時，入模溫度取實測值。

2.2 數值模型

采用MIDAS軟件對該錨碇錨塊進行溫控計算時根據對稱性取1/2結構建模。采用實體單元模擬錨碇錨塊，一岸錨碇共計21648個單元，27508個節點。一岸錨碇錨塊單元模型見圖3，錨碇冷卻水管的模擬示意圖見圖4。

3 施工現場溫控監測

3.1 現場溫控監測流程

錨塊砼溫控過程中，為實時掌握溫控信息，檢查效果，便于實時調整溫控的措施，在砼澆筑時進測量了每層砼入模溫度，在砼澆筑后也實時測試塊體砼澆筑層內部溫度、表面溫度、降溫速率和大氣溫度。其溫控監測流程見圖5。

施工現場測量得到的溫控數據能及時提供信息反映大體積砼澆筑塊體內表溫差和降溫速率等實際參數及所采取溫控技術措施的效果，為技術人員在溫控時采取溫控對策提供依據。

3.2 砼各層溫度測點布置

根據錨碇錨塊特點，每個砼層溫度測點在1/4范圍布設。布設測點時要考慮到每層砼塊體澆筑時間不一致，并在各層區域均勻布置，測點布設中心區為重點區域。某結構層砼的溫度測點見圖6，所有各砼層的溫控測點布設參考此層。

3.3 測量內容和頻率

各砼層大體積砼施工前后需測試的內容及其要求見表7。

3.4 溫控措施

在錨碇塊體砼澆筑前后，要根據實時溫度測量結果相應地采取措施：

（1）大體積混凝土施工盡量選取中低熱水泥，并盡量在配合比試驗時降低水泥用量。

（2）在溫度較高的夏季，大體積砼拌合用水應盡量采用大功率冷水機制備的冷水，而且在砼澆筑前也可用冷水機制備的冷水給石料降溫。

（3）如果可能盡量選擇較適宜的氣溫條件澆筑大體積砼，盡量避開高溫時段，在炎熱的夏季骨料應有防曬措施。

（4）砼澆筑完成即可通冷卻水，直到砼中心處開始降溫，則減少通水量，如減少一半；砼降溫速率接近2.0℃/d，則停止通水，停水后若塊體溫度轉為上升，則又通少量水。

（5）如果發現內表溫差接近25℃或者降溫速率接近2.0℃/d時，應立即采取保溫措施：及時對砼表面進行覆蓋，如果內表溫差和降溫速率還未改善，則應在覆蓋層內布設碘鎢燈為表面加熱保溫；塊體砼側面在拆模后懸掛保溫材料。若遇到氣溫突降時，除對剛澆筑的砼層采取一定保溫措施外，還應對20天齡期內的砼采取保溫措施。

4 溫度監測結果及分析

根據所測各砼層溫度，繪制了各測站各個測點的溫度實測曲線，限于篇幅選取一岸錨碇左幅錨塊第3層砼3-B測站測點和CBM3溫度實測曲線、另一岸錨碇左幅錨塊第11層砼11-C測站測點溫度和氣溫實測曲線見圖7和圖8。由圖7和圖8知，錨塊各結構層砼溫度都有比較快速地升溫、降溫和緩慢降溫的典型過程，直至溫度逐漸穩定下來。砼澆筑后2到3天即可達到溫度峰值，并且持續時間均較短，一般約2～6小時后即進入降溫階段，降溫階段的降溫速率非常容易超標，一方面要采取保溫措施，另一方面，對降溫速率的指標限值是否過于苛刻也值得研究和探討；錨碇錨塊砼澆筑完成，水泥水化熱對砼的升溫過程起決定性作用，約10天后砼溫度變化曲線隨大氣氣溫變化出現一定變化，約15天之后變化趨平緩。

根據氣溫等實測數據，計算一岸右幅錨碇錨塊6層主要溫控指標匯總見表8。由表8可知，錨碇錨塊的主要溫控指標中，有3個砼層的降溫速率稍大于規范推薦限值2.0℃/d；其余錨塊結構層溫控指標在推薦限值以內。其他各項指標也均在溫控推薦限值以內。

除以上溫控監測結果，在施工現場認真檢查，未發現砼表面出現肉眼可見溫度裂縫。

5 結論

（1）大體積砼施工前，應選用中、低熱水泥，大體積混凝土施工所用水泥其3d的水化熱不宜大于240kJ/kg，7d的水化熱不宜大于270kJ/kg；適當減少每立方米混凝土中的水泥用量。使用粗骨料，盡量選用粒徑較大、級配良好的粗骨料；摻加粉煤灰摻合料，可以有效的降低混凝土早期的水化熱，降低水灰比，以達到減少水泥用量、降低水化熱的目的。

（2）當混凝土澆筑體內部的降溫速率接近2.0℃/h時，采用冷卻水管出來的進行混凝土表面養生，如果降溫速率仍無改善，停止通冷卻水，如果停止通冷卻水后降溫速率仍然大于2.0℃/h，則外表面增加保溫措施。

（3）在大體積混凝土施工和養護過程中，密切關注天氣預報，如果遇到大雨或氣溫驟降的天氣情況，及時在承臺頂面和側面增加棉被或防雨布，或增加表面保溫層的厚度，因此施工方應準備好防雨布和保溫層。

（4）該大懸索橋錨碇錨塊未出現溫度裂縫，所采用的溫控技術可供同類的大體積砼施工借鑒。

【參考文獻】

[1]GB 50496-2009大體積砼施工規范[S].北京：中國計劃出版社，2009.

[2]Troxelle G.E.，Davis H.E.. Composition and Properties of Concrete. NewYork： McGraw-Hill Book Co.，1956，1-20.

[3]Gardner N.J..Effect of Temperature on the Early-Age of Type I， Type III and Type I Fly ash Concrete.ACI Material Journal， 1990， 89（6）：68-78.

[4]Brooks J.J.，Al-ksisi A.F..Early Strength Development of Porland and Slag Cement Concretes Cured at Elevated Temperature.ACI Material Journal， 1990，89（10）：503-507.

[5]Oluokun F.A.，Burdette E.G.，Deatheage H..Elastic Modulus， Poissons Ratio and Compressive Strength Relationships at Early-Age.ACI Structural Journal，1991，103（1）：3-10.

[6]Wilson E L， The determination of temperatures within mass concrete structures （SESM Report No.68-17），Structures and Materials Reserch， Department of Civil Engineering， University of Califonia，Berkeley， Dee. 1968：187-202.

[7]Tatro Stephen B， Sehrader Ernest K， Thermal analysis for RCC-a Practical Approach.Roller Competed Concrete， San Diego， California： Published by ASCE，1992：389-406.

[8]SL 319-2005砼重力壩設計規范[S].北京：中國水利水電出版社，2005.

[9]王鐵夢.工程結構裂縫控制[M].北京：中國建筑工業出版社，1997.

[10]朱伯芳.大體積砼溫度應力與溫度控制 [M].北京： 中國電力出版社，1999.

[11]劉興法.砼結構的溫度應力分析[M].北京：人民交通出版社，1991.

[責任編輯：朱麗娜]