沙溪大橋承臺(tái)大體積混凝土溫控分析與施工控制

王 赟

(福建省交通建設(shè)工程監(jiān)理咨詢有限公司，福州 350001)

1 工程概況

沙溪河大橋主橋采用鋼-混凝土混合梁連續(xù)鋼構(gòu)，主橋跨徑布置為100m+176m+176m+100m。 主墩承臺(tái)尺寸為16.0m×12.5m×5.5m，采用C35 混凝土，單個(gè)承臺(tái)方量1100m3，分兩次澆筑，考慮到墩柱預(yù)埋鋼筋長(zhǎng)度，澆筑分層厚度分為3m、2.5m，示意圖見圖1。

圖1 承臺(tái)尺寸示意圖

2 結(jié)構(gòu)建模及計(jì)算分析

2.1 冷卻水管布設(shè)

承臺(tái)第一澆筑層布設(shè)2 層冷卻水管， 豎向布置離混凝土面距離分別為100cm、200cm； 第二澆筑層布設(shè)2 層冷卻水管，豎向布置離混凝土面距離分別為75cm、175cm；水管水平管間距為100cm，距離混凝土側(cè)面50cm；單層1 套水管，管徑φ40mm，每套水管設(shè)置一個(gè)進(jìn)出水口，管長(zhǎng)小于200m；具體布置示意圖見圖2。

圖2 冷卻水管布設(shè)示意圖

2.2 溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

第一層離混凝土底面以上150cm 高度布置測(cè)溫點(diǎn)監(jiān)測(cè)內(nèi)部最高溫度及表面溫度， 離混凝土底面以上250cm 布設(shè)測(cè)溫點(diǎn)進(jìn)行校核。 平面布置及測(cè)點(diǎn)編號(hào)如圖3 和圖4。

圖3 監(jiān)測(cè)層測(cè)點(diǎn)布置圖

圖4 校核層測(cè)點(diǎn)布置圖

第二層因混凝土厚度較薄， 所以只在混凝土底面以上125cm 高度布置測(cè)溫點(diǎn)監(jiān)測(cè)內(nèi)部最高溫度及表面溫度，布置方式同圖3。

2.3 抗裂安全性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

從兩方面對(duì)大體積混凝土抗裂安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)：一方面是特征溫度控制值，如入模溫度、內(nèi)部最高溫度及內(nèi)表溫差等， 可將混凝土溫度仿真計(jì)算值及后期實(shí)測(cè)值與相關(guān)規(guī)范規(guī)程的規(guī)定值進(jìn)行對(duì)比分析； 另一方面是抗裂保證率，可間接通過抗裂安全系數(shù)的控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表1 抗裂安全性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.4 結(jié)構(gòu)建模

采用有限元分析軟件MIDAS， 根據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，取承臺(tái)混凝土1/4 進(jìn)行溫度應(yīng)力計(jì)算， 網(wǎng)格剖分圖見圖5，相關(guān)模型計(jì)算參數(shù)及控制標(biāo)準(zhǔn)見分別參表2、表3、表4。

圖5 承臺(tái)大體積混凝土1/4 網(wǎng)格剖分圖

表2 承臺(tái)大體積C35 混凝土配合比(kg/m3)

表3 大體積混凝土物理熱學(xué)性能相關(guān)計(jì)算參數(shù)

表4 大體積混凝土邊界條件

2.5 溫度計(jì)算分析

在以上設(shè)定條件下， 承臺(tái)大體積混凝土內(nèi)部最高溫度及最大內(nèi)表溫差計(jì)算結(jié)果見表5， 均符合溫度控制標(biāo)準(zhǔn)。

表5 溫度計(jì)算結(jié)果

承臺(tái)混凝土內(nèi)部最高溫度包絡(luò)圖見圖6。 可見混凝土內(nèi)部溫度最高，表面溫度較低，溫度控制的核心為“外保內(nèi)散”。

圖6 承臺(tái)大體積混凝土內(nèi)部最高溫度包絡(luò)圖(單位：℃)

選取承臺(tái)第一層中心的N：361 點(diǎn)和側(cè)面的N：649點(diǎn)，得到溫度時(shí)程曲線見圖7。 可見溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在第三天，溫峰后內(nèi)部溫度降溫較慢，表面溫度降溫較快，最大內(nèi)表溫差持續(xù)增大； 第二層澆筑后內(nèi)部溫度有一定回升，必要時(shí)可進(jìn)行二次通水。

圖7 承臺(tái)第一層混凝土典型點(diǎn)溫度時(shí)程曲線

選取承臺(tái)第二層中心的N：3002 點(diǎn)和側(cè)面的N：2951點(diǎn)，得到溫度時(shí)程曲線見圖8。 可見溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在第10 天，溫峰后內(nèi)部溫度降溫較慢，表面溫度降溫較快，最大內(nèi)表溫差出現(xiàn)在第二層澆筑完第7 天左右， 圖8 前7天為第一、二層混凝土澆筑時(shí)間間隔。

圖8 承臺(tái)第二層混凝土典型點(diǎn)溫度時(shí)程曲線

2.6 應(yīng)力計(jì)算分析

在以上設(shè)定條件下， 承臺(tái)大體積混凝土溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表6。 由表可知，承臺(tái)最小抗裂安全系數(shù)為1.41(≥1.4)，抗裂安全性較高。 各澆筑層混凝土早期膨脹，3d應(yīng)力發(fā)展較快，集中于構(gòu)件上表面，為內(nèi)表溫差引起的拉應(yīng)力； 后期混凝土收縮，3d 后有部分應(yīng)力向構(gòu)件內(nèi)部轉(zhuǎn)移并逐漸發(fā)展至穩(wěn)定水平。

早期混凝土上表面與側(cè)面因內(nèi)表溫差較大存在一定應(yīng)力集中，需一方面通冷卻水降低混凝土內(nèi)部溫度，另一方面需加強(qiáng)此部位的保溫養(yǎng)護(hù)，降低內(nèi)表溫差，防止約束累積開裂。

表6 溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

2.7 計(jì)算結(jié)果分析及建議

通過計(jì)算分析， 可以看出各澆筑層內(nèi)部最高溫度及內(nèi)表溫差均、 承臺(tái)最小抗裂安全系數(shù)均滿足溫度及應(yīng)力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，可按照預(yù)設(shè)工況進(jìn)行施工。

3 施工過程控制

3.1 混凝土澆筑防裂措施

3.1.1 入模溫度控制

通過提前備料、搭設(shè)遮雨棚控制骨料溫度，提前備料入場(chǎng)控制膠材溫度，抽取地下水作為拌合水，降低混凝土入模溫度。混凝土澆筑過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)原材料溫度、入模溫度如表7、表8 所示，入摸溫度均符合≥5℃且≤28℃的溫控標(biāo)準(zhǔn)。

表7 承臺(tái)第一層混凝土原材料及入模溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果

表8 承臺(tái)第二層混凝土原材料及入模溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.1.2 混凝土生產(chǎn)質(zhì)量控制

(1)混凝土在攪拌機(jī)中的攪拌時(shí)間(從全部材料裝入攪拌機(jī)開始攪拌至攪拌結(jié)束開始卸料所用計(jì)時(shí))，對(duì)于承臺(tái)混凝土不宜少于75s。 拌合的混凝土應(yīng)具有良好的勻質(zhì)性及粘聚性，確保混凝土入模后不分層、不離析。

(2)每澆筑層澆筑至最后30～50cm 時(shí)，將混凝土的坍落度降低至規(guī)定的坍落度低限值， 避免混凝土表面浮漿過厚引起的后期收縮不一致而導(dǎo)致混凝土開裂， 同時(shí)也有利于減輕鑿毛工作量。

(3)優(yōu)化分層澆筑厚度：大體積混凝土的分層澆筑厚度可控制在30～50cm 范圍。

(4)混凝土浮漿控制：在保證可泵送的前提下盡量降低混凝土坍落度， 尤其是澆筑至最后30～50cm 混凝土?xí)r，混凝土坍落度應(yīng)調(diào)小20mm。

(5) 澆筑間隔期： 各層混凝土澆筑間歇期一般控制在≤7d，最長(zhǎng)不宜超過10d。

3.1.3 降低攪拌、運(yùn)輸、澆筑過程中氣溫影響的措施

(1)對(duì)攪拌站料斗、皮帶運(yùn)輸機(jī)、攪拌樓、運(yùn)輸罐車、泵送管道及其他相關(guān)設(shè)備全封閉；運(yùn)輸罐車反復(fù)淋水降溫，泵送管道用濕罩布加以覆蓋， 避免陽光照射并反復(fù)曬水降溫。

(2)提高混凝土澆筑能力，縮短混凝土暴露時(shí)間；縮短混凝土運(yùn)輸和滯留時(shí)間， 混凝土拌和物從加水至入模的最長(zhǎng)時(shí)間，不超過1.5h。

(3)降低混凝土澆筑倉(cāng)面的環(huán)境溫度。 現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度高于30℃時(shí)，對(duì)金屬模板外表面、鄰接的已硬化混凝土噴淋降溫。

(4)當(dāng)氣溫高于30℃、相對(duì)濕度較小或風(fēng)速較大的環(huán)境下澆筑混凝土?xí)r， 對(duì)澆筑倉(cāng)面進(jìn)行噴霧或采取適當(dāng)擋風(fēng)措施防止混凝土表面失水過快。

4 溫度監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析

混凝土溫度監(jiān)測(cè)于混凝土澆筑時(shí)開始， 截至13d 后各溫度指標(biāo)趨于穩(wěn)定后停止監(jiān)控，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)如表9、表10所示。最高溫度出現(xiàn)時(shí)間從混凝土開始升溫時(shí)間算起。因冷卻水為直取水、溫度較低，混凝土前期降溫較快，超出≦2.0℃/d 的標(biāo)準(zhǔn)；后通過關(guān)停調(diào)整冷卻水，使降溫速率滿足≦2.0℃/d 的溫控標(biāo)準(zhǔn)。

表9 承臺(tái)第一層溫度特征值監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

表10 承臺(tái)第二層溫度特征值監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

第一層、 第二層混凝土溫度特征值發(fā)展歷時(shí)曲線如圖9、圖10 所示。 可以看出，混凝土升溫較快，混凝土于覆蓋后5～6h 即開始升溫，于35～40h 期間到達(dá)溫峰，相較于MIDAS 仿真溫峰提前了1.5d 左右，經(jīng)分析主要受混凝土緩凝時(shí)間過短影響。 溫峰過后在低冷卻水溫的影響下前期降溫速率較快， 混凝土內(nèi)表溫差前期隨內(nèi)部溫度增加而增加，后期隨表面溫度波動(dòng)而波動(dòng)，且表面溫度隨晝夜溫差也相繼出現(xiàn)波動(dòng)，最大內(nèi)表溫差出現(xiàn)于降溫初期，后期內(nèi)表溫差趨于穩(wěn)定。

圖9 第一層混凝土溫度特征值發(fā)展歷時(shí)曲線

圖10 第二層混凝土溫度特征值發(fā)展歷時(shí)曲線

冷卻水通水期間采用直接抽取河水降溫， 出水情況良好， 進(jìn)出水溫差為5～9℃， 符合升溫期進(jìn)出水溫差≤10℃的溫控標(biāo)準(zhǔn)。

內(nèi)部最高溫度、內(nèi)表溫差、進(jìn)出水口溫差、降溫速率均滿足《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/F50-2011)要求。

混凝土澆筑完成后側(cè)面帶模養(yǎng)護(hù)，經(jīng)帶模養(yǎng)生3d 后拆模，表觀良好，未發(fā)現(xiàn)明顯開裂。 拆模后采用土工布覆蓋。 上表面前期蓄水養(yǎng)護(hù)，后期覆蓋土工布并灑水養(yǎng)護(hù)。

5 結(jié)語

在大體積混凝土施工中，利用MIDAS 軟件對(duì)混凝土預(yù)設(shè)工況進(jìn)行分析，通過反饋信息，細(xì)化原材料質(zhì)量、配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)以及混凝土的拌和、運(yùn)輸、澆筑、振搗、通水冷卻、養(yǎng)護(hù)等方面的全過程控制，以達(dá)到控制其混凝土質(zhì)量、混凝土內(nèi)部最高溫度、混凝土內(nèi)表溫差及表面約束，從而控制溫度裂縫的形成及發(fā)展的目的。

澆筑過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣溫、 原材料溫度及混凝土入模溫度，澆筑完成后實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣溫、混凝土內(nèi)部溫度、表面溫度、進(jìn)水溫度及出水溫度，跟蹤混凝土最高溫度及內(nèi)表溫差，為冷卻水調(diào)節(jié)、拆模及養(yǎng)護(hù)提供依據(jù)。