寬幅PK混凝土箱梁溫控防裂技術研究

李福友

(中鐵建大橋工程局集團第一工程有限公司 遼寧大連 116033)

1 引言

寬幅PK混凝土箱梁施工，裂縫控制是一個比較系統的綜合性問題，受施工工藝、預應力布置及張拉工藝、混凝土物理力學性能、施工地區自然條件、箱梁本身結構特點、支撐體系等多種因素制約[1]。

寬幅混凝土箱梁結構受力復雜，施工難度大。為提高結構抗裂性，本文通過高性能混凝土配合比優化設計與早期抗裂性及長期收縮變形性能及耐久性試驗，對施工階段溫度控制措施進行研究分析。

箱梁兩側風嘴斜拉索錨固區、墩頂橫梁處均為大體積混凝土。大體積混凝土受內部水化熱溫升過高、內外溫差過大、混凝土降溫過快及內外約束作用等多種因素影響，極易出現早期溫度裂縫。同時雙邊箱結構橫向約束大，極易在孔洞及變截面部位出現應力集中而導致開裂[2]。

2 工程概況

武穴長江大橋主橋為雙塔六跨連續不對稱混合梁斜拉橋，主橋長1 403 m，橋跨布置為(80＋290)m(北邊跨)＋808 m(主跨)＋(75＋75＋75)m(南邊跨)。南邊跨采用預應力混凝土箱梁，長236.4 m。

南邊跨混凝土箱梁采用分離式雙邊箱構造，全寬38.5 m，邊箱寬度2×12.32 m，中空室寬度13.86 m，斜拉索錨固區寬度1.5 m，風嘴寬度為1.0 m。箱梁標準梁段中心線處梁高3.822 m(見圖1)。主體結構采用C55高性能混凝土。

圖1 標準梁橫斷面(單位:cm)

采用分段分節(跳倉)支墩支架現澆工藝施工，自邊跨梁端開始分成四個施工段、二個合龍段(濕接縫)，每個施工段分若干節澆筑。箱梁各施工節段信息見圖2。

圖2 施工節段劃分(單位:mm)

3 配合比優化設計

C55高性能混凝土具有高工作性、高泵送性、低坍損、高緩凝、高抗裂能力及高體積穩定性、低收縮性，適宜強度發展，同時具備良好的耐久性。

(1)采用大摻量優質礦粉和粉煤灰復摻方式代替水泥，降低水泥用量，降低水化熱，同時提高和易性及泵送性。

(2)在一定范圍內減小水膠比，提高混凝土強度和體積穩定性，保證抗裂性能及耐久性[3]。

(3)合理優化骨料堆積密度，尤其骨料級配組成，控制最大堆積密度和最小空隙率，減少膠凝材料漿體用量，并適當降低砂率，增加碎石用量，以降低徐變對混凝土結構的影響[4]。

(4)摻用高效緩凝減水劑推遲并削減水化熱溫峰，解決箱型結構高性能混凝土需要緩凝時間長而且早期強度要求較高之間的矛盾，并實現對混凝土的長期體積變形和收縮徐變的有效控制[5]。

配合比設計見表1，物理力學性能測試結果見表2。

表2 箱梁C55混凝土力學性能試驗結果

4 溫控設計及仿真分析

4.1 模型參數

(1)構件尺寸:N19節段(J型梁)長15 m，寬38.5 m，梁高3.82 m，頂板厚度0.35 m，底板厚度0.4 m，斜底板厚度0.35 m，腹板厚度0.55 cm，混凝土方量581 m3。

(2)約束條件:受支墩支架固結約束及內部對稱約束。

(3)分層分塊:一次澆筑成型。

根據結構對稱性選擇梁段1/4進行建模計算，如圖3所示。

圖3 1/4梁段模型

4.2 邊界條件

分為兩種工況進行仿真計算，澆筑邊界條件見表3。

表3 N19節段(J型)邊界條件

(1)對流邊界

中高溫期施工，梁體頂面覆蓋塑料薄膜＋土工布保濕養護，其等效散熱系數根據《大體積混凝土溫度應力與溫度控制(第2版)》(朱伯芳著，中國電力工業出版社，2012年)3.3節“邊界條件的近似處理”進行計算[6]。計算取風速為2 m/s，上表面等效散熱系數取為55 kJ/(m2·h·℃)；側面采用鋼模施工，其等效散熱系數取70 kJ/(m2·h·℃)，約4～5 d拆模，拆模后側面同樣采用塑料薄膜＋土工布覆蓋。

(2)環境溫度及入模溫度

橋址所在地5月份多年平均氣溫為17.5℃～26.1℃，仿真計算入模溫度取28℃。

(3)冷卻水

根據是否采用冷卻水降溫考慮兩種工況，工況一不采用冷卻水降溫，工況二風嘴部位布設冷卻水管。

4.3 仿真計算結果

4.3.1 溫度計算結果

基于以上兩種工況，N19節段(J型梁)計算結果見表4。工況一、工況二混凝土內部最高溫度及內表溫差均滿足溫控標準。

表4 N19節段(J型梁)混凝土溫度計算結果

工況一混凝土內部最高溫度包絡圖見圖4。最高溫度出現在風嘴部位，兩端頭溫度較低，溫度梯度較大，需加強養護以降低內表溫差。

圖4 混凝土內部最高溫度包絡圖(單位:℃)

4.3.2 應力計算結果

應力計算結果見表5。

表5 N19節段(J型梁)混凝土溫度應力計算結果

工況一混凝土齡期應力場分布見圖5。可以看出，應力場發展規律為:(1)早期應力集中于箱梁頂面與腹板、橫隔板交界部位，主要由內表溫差引起；(2)后期應力集中于風嘴實心部位，由混凝土降溫和干縮引起，隨齡期增長逐漸增大[7]。

圖5 工況一混凝土應力場分布云圖

4.3.3 計算結果分析

根據《水運工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術規程》(JTS 202-1-2010)統計20余個大體積混凝土溫控工程開裂情況[8]，其抗裂安全系數和抗裂保證率關系曲線見圖6，確定本工程溫度應力抗裂安全系數取值不小于1.4。

(1)工況一內部最高溫度為71.9℃，工況二內部最高溫度為65.0℃，冷卻水可以起到6℃左右的冷卻效果。

圖6 抗裂安全系數和抗裂保證率關系曲線

(2)工況一最小抗裂安全系數為1.41，工況二最小抗裂安全系數為1.61，采用冷卻水降溫可以提高15%左右的抗開裂能力。

5 溫控標準制定

根據仿真計算結果，結合本工程實際情況，對箱梁混凝土施工制定的溫控標準見表6。

表6 箱梁混凝土溫控標準

6 溫控防裂措施

6.1 混凝土入模溫度控制

骨料提前進場并搭建空調房進行存儲，盡量降低骨料溫度；膠材采用延長儲存時間，并對罐體進行遮陽、噴水等措施。將水泥、礦粉溫度控制為≤60℃，粉煤灰溫度控制為≤40℃[9]。

6.2 冷卻水使用及控制

在兩側風嘴實心段處布設冷卻水管，水平管間距為100 cm，距離混凝土側面不小于50 cm，豎向位于高度的中間部位；每套水管長度不超過200 m。混凝土通水要求見表7。

表7 箱梁混凝土通水要求

6.3 混凝土澆筑工藝控制

混凝土一次澆筑成型，在頂板開設布料點，間距按3 m布置，底板、腹板、橫隔板澆筑時布置小料斗、串筒以防止混凝土離析。混凝土分層厚度30～40 cm，布料順序橫橋向對稱進行，縱向整體推進，見圖7。

圖7 澆筑示意

6.4 拆模時間控制

混凝土拆模時間按照齡期、強度、溫度等進行控制:(1)澆筑完成3 d后，并且混凝土強度達到75%以上；(2)拆模時間選擇一天中較高溫度的時段，拆模后立即進行保溫保濕防風養護。

6.5 養護控制

根據內降外保原則，通過加強混凝土保溫保濕養護，降低混凝土內表溫差，減少混凝土收縮引起的表面應力(見表8)[10]。

表8 箱梁混凝土養護措施

7 現場溫度監測結果與分析

(1)測溫點布置

根據箱梁對稱性的特點，選取箱梁的1/4布置測點。根據溫度場的分布規律，充分考慮溫控指標的測評。表面溫度測點布置在箱梁頂面以下5 cm，內部測溫點布置在箱梁中心處[11]。測溫元件布置見圖8。

圖8 溫度測點布置(單位:mm)

(2)測溫數據分析

溫度監測于2019年5月25日15:00開始，截至6月2日10:00，混凝土溫度監測數據見表9，溫度特征值見圖9。

各層混凝土最高溫度為50.6℃ ～64.9℃，符合≤75℃的控制標準，內部溫度最高為距離混凝土底面1.84 m處；腹板混凝土各層最大內表溫差為16.9℃ ～29.8℃，第二層超出≤25℃的控制標準；由于腹板為薄壁結構，降溫速率為1.3℃/d～6.6℃/d，部分時段超出≤2.0℃/d控制標準。

表9 箱梁混凝土溫度特征值監測數據

測點監測區域混凝土于覆蓋后9～10 h開始升溫，升溫快速，于覆蓋后27～38 h達到溫峰；由于腹板為薄壁結構，溫峰過后，自然降溫速率較快，溫差逐漸縮小。

圖9 混凝土溫度歷時曲線

8 結束語

(1)寬幅PK箱梁高性能混凝土配合比設計尤為關鍵，既要保證高工作性、高抗裂性、低收縮徐變、高耐久性，又要重點控制低水化熱目標。采用大摻量粉煤灰和礦粉替代水泥，降低水泥用量，控制水化熱，有效延緩混凝土內部最高溫度，并通過高性能緩凝減水劑，延緩溫峰出現時間[12]。

(2)根據寬幅PK箱梁結構特點，通過溫度場和應力場仿真計算分析，制定溫控標準及有效溫控措施，為后續類似箱梁施工提供寶貴經驗。

(3)通過對箱梁空腔部分薄壁結構應力及溫度監測分析，針對薄壁構造應力較集中極易出現有害裂縫部位，合理確定澆筑工藝、拆模時間、養護措施。