大跨徑鋼管混凝土拱橋大體積混凝土拱座施工溫度分布與控制

鄧耀春 孫華

摘要：文章針對鋼管混凝土特大橋平南三橋南岸拱座大體積混凝土施工過程，采用有限元軟件Midas Civil仿真模擬分析拱座溫度場，得到整體澆筑和分層澆筑下的拱腳處溫度場的分布規律，并提出防止施工過程中由于溫度變化及水化熱等因素引起裂縫的控制措施。

關鍵詞：鋼管混凝土拱橋;有限元軟件;拱座;大體積混凝土;水化熱分析;溫度控制

中圖分類號：U443.23 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.07.023

文章編號：1673-4874（2019）07-0072-04

0引言

鋼管混凝土拱橋以其獨特的優勢和優美的外觀在我國改革開放后開始得到大量應用，鋼拱橋數目從1993年開始大幅增長，1998年以后已超過混凝土拱橋的修建數量，以2015年1月為截止時間，共收集到鋼管混凝土拱橋（跨徑50m以上）橋例413座，其中最大跨徑為四川合江長江一橋，為518m的中承式鋼管混凝土拱橋。鋼管混凝土拱橋具有抗壓強度高、承載能力強、延性好、疲勞壽命長等優良的力學性能;同時還具有結構自重輕、架設方便、施工快速等優越的施工性能，因此在工程中得到了廣泛的應用和推廣。

在橋梁建設中大體積混凝土構筑物較為常見，如橋墩、蓋梁、承臺、拱座等都是常見的大體積混凝土構筑物，同時大體積混凝土也是結構物的主要受力構件。大體積混凝土施工質量的好壞將影響到橋梁結構的安全和使用壽命。鋼管混凝土拱橋的拱座為典型的大體積混凝土結構，因此有必要對大跨徑鋼管混凝土拱橋拱座進行水化熱分析。

目前，已有較多學者對大體積混凝土水化熱進行了研究，并取得了一定的成果。朱伯芳院士基于大量的實際工程，分析認為大體積混凝土開裂主要受混凝土原材料質量、混凝土的配合比、基礎溫差、內外溫差及后期養護的影響，所提出的大體積混凝土溫度應力與溫度控制方法得到了國內外廣泛好評。沈炯偉等以某鋼管混凝土拱橋為背景，對拱座溫度場和溫度應力進行了分析，得到了不同施工方法下的拱腳溫度場分布規律及對應的溫度應力。余沛等以白浪河大橋群樁承臺為例，考慮布置冷卻管，采用有限元軟件建模，對施工期間承臺板大體積混凝土水化熱溫度場進行數值模擬，結合大體積混凝土施工方法，有效地控制了承臺裂縫，為橋梁大體積混凝土施工提供了參考。李之達等對武漢府河大橋22#承臺水化熱進行了分析，對比實際監測結果和模型計算結果，吻合度較好。

1工程概況

平南三橋位于廣西平南縣內，為荔浦至玉林高速公路平南北互通連接線上跨潯江的一座特大型橋梁。主橋采用主跨575m（計算跨徑560m）中承式鋼管混凝土拱橋，引橋采用連續箱梁。主拱采用提籃式鋼管混凝土拱橋結構，主跨拱肋為鋼管混凝土桁架結構。主控跨徑575m（計算跨徑560m），計算矢跨比1/4.0，拱軸系數為1.50。拱頂截面徑向高為8.5m，拱腳截面徑向高為17.0m，肋寬為4.2m。每肋為上、下各兩根Ф400mm鋼管混凝土弦管，管內混凝土采用C70澆筑。主拱肋通過橫聯鋼管Ф850mm和豎向兩根腹桿Ф700mm管連接主管而構成矩形截面，吊桿間距為15.5m。全橋具體布置如圖1所示。

南岸拱座設計為分離式，分為左、右2個，橫向凈間距為20.1m。拱座基礎底板采用c30防水混凝土澆筑，拱座主體采用C40防水混凝土澆筑，封拱腳段采用C50防水混凝土澆筑。左右兩幅拱座采用系梁連接成整體，系梁頂標高為+22m，底標高為+17m，尺寸為15.1m×5m×5m，屬于典型的大體積混凝土結構。在實際修筑南岸拱座時，設計單位做了設計變更，變更后拱座構造見圖2。

原設計中南岸拱座采用分層澆筑施工工藝，混凝土的水化熱及養護措施均采用“內排外保”，即內部利用冷卻管循環水控制大體積混凝土內部升溫;外部利用蓄水養護措施對混凝土表面進行保溫保濕。后設計方案進行了變更，變更后混凝土養護方式變更為覆蓋養護，即取消原設計中混凝土內部冷卻水管與表面蓄水養護措施，變為混凝土表面覆蓋聚氯乙烯薄膜，頂面加蓋棉被。

2拱座分層澆筑

變更后的拱座高17.527m，總混凝土用量約為3673.7m，屬于典型大體積混凝土結構。考慮到水化熱的影響，在不設置內部冷卻水管的條件下，宜分層進行澆筑。拱座從上到下不考慮C50后澆封拱腳，混凝土分為6層進行澆筑，每層層高≤2.5m。具體分層及每層用量見圖3，澆筑模板采用DP180式懸臂模板，模板高度為2.65m。

根據施工現場及功能要求，經反復分析計算后得到了C40拱座混凝土配合比（見表1）。

3拱座溫度場模擬

3.1拱座有限元模型

3.1.1整體拱座模型

本文采用Midas Civil軟件模擬拱座澆筑溫度場，根據《大體積混凝土施工規范》（GB 50496-2009）以及《大體積混凝土溫度應力與溫度控制》一書，結合現場施工材料計算得到模型中的相關參數。考慮到單個拱座的對稱性，取單個拱座的1/2進行分析，模型單元為實體單元，變更后的拱座共有21572個節點，16854個單元，如圖4所示。

3.1.2分層澆筑模型

拱座包括后澆封拱腳層共分為七層，其中第二層的混凝土量最大，為779m，故產生的水化熱也是最大的，因此以澆筑拱座第二層為例分析產生的水化熱，同樣根據對稱性取1/2進行建模，共8975個節點，6728個實體單元（見圖5）。

3.2測點布置

模型關于x軸對稱，取1/2模型沿x方向、y方向以及x方向布置溫度測點。溫度場測點布置如圖6所示。

3.3溫度場分析

拱座整體模型溫度場在3d、7d、14d齡期下的云圖見圖7，在特定單元的溫度時程曲線見圖8。

由圖7和圖8可知：拱座內部溫峰出現在澆筑后50～100h，最高溫度為54.96℃，達到峰值后開始降溫。從圖中可以明顯看出：在拱座核心位置處的溫控點達到峰值的時間較非核心區域的點慢，且達到峰值后降溫速度慢，越靠近拱座核心溫度越高降溫越慢。中心區域溫度與靠近表面處溫度峰值差值較大，而且靠近表面處溫度峰值持續時間少，降溫時間快，并在較短的時間內達到較為穩定的狀態。拱座最大降溫速率為1.2℃/d，降溫速率<2℃/d。

第二層混凝土3d、7d、14d溫度場云圖見圖9，特定單元溫度時程曲線見后頁圖10。

從圖9、圖10可知：溫峰出現的時間大致在70～100h之間，最高溫度為50℃左右，出現在第二層混凝土中心位置附近。達到溫度峰值后開始降溫，混凝土內部中心及靠近表面處溫峰持續時間均不長，中心部位的溫峰大于靠近表面處的溫峰，溫峰差值達10℃。混凝土降溫在較短的時間內達到穩定狀態，最大降溫速率為1.7℃/d，降溫速率<2℃/d。

由溫度場分析可知整體澆筑和分層澆筑的差異。拱座整體澆筑時最大的溫度可達54.96℃，而分層澆筑時第二層混凝土（澆筑量最大）最大溫度為50.1℃，相差4.8℃，而且分層澆筑時溫峰持續時間短，達到穩定狀態較快。

4結語

綜合上述分析可知，在整體澆筑大體積混凝土結構物時，混凝土內部會產生較大的溫度使內部溫度逐漸升高，并在一定齡期內達到溫峰，在此之后溫度下降。由于混凝土是熱的不良導體，內部散熱緩慢，而外部與空氣接觸散熱快，使得內外產生溫差，從而使混凝土表面產生溫度應力，在超過混凝土抗拉強度后會導致開裂。因此有必要在大體積混凝土澆筑時采取相關施工措施保證施工質量，建議優化措施如下：

（1）優化混凝土配合比，選擇優良的混凝土外加劑，控制混凝土中水泥的用量，選擇水化熱較低的水泥，這是降低混凝土內部水化熱最直接、有效的方式。

（2）宜分層澆筑。為減少大體積混凝土構筑物水化熱而引起的收縮徐變裂縫，應根據現場實際條件和設計要求對拱座混凝土進行分層澆筑，達到減小混凝土內部核心區域溫度的目的。

（3）控制混凝土入模溫度。現場澆筑時，應盡量選擇較為適宜的天氣溫度進行大體積混凝土澆筑。施工時合理調度，保證現場供需平衡，縮短混凝土的澆筑時間。

（4）混凝土的水化熱及養護措施均采用“內排外保”的方式，即內部利用冷卻管循環水控制大體積混凝土內部升溫;外部采用蓄水養護措施對混凝土表面進行保溫保濕或者覆蓋養護，在混凝土表面覆蓋聚氯乙烯薄膜加棉被。