公鐵兩用橋鋼吊箱混凝土承臺溫控技術研究

李招明

(中國鐵建大橋工程局集團有限公司，天津 300300)

1 引 言

隨著我國橋梁施工技術的不斷提高，很多跨江跨海的公鐵兩用橋紛紛興建，大部分橋梁均采用在鋼圍堰內(nèi)澆筑大體積混凝土承臺進行施工。在澆筑承臺時會產(chǎn)生大量的水化熱，由于混凝土導熱性差，承臺內(nèi)外表面溫差過大，極易產(chǎn)生溫度裂縫。這種裂縫會大幅降低公鐵兩用橋承臺的剛度、強度和穩(wěn)定性。

目前，國內(nèi)外關于大體積混凝土溫控研究持續(xù)不斷。葉生春對極端氣候下的承臺做溫控研究，表明合理的配合比及溫控措施可有效防止溫度裂縫的產(chǎn)生；張永健對不同水泥承臺進行溫控研究，顯示低熱水泥混凝土具有更好的溫控效果；陶亞成通過優(yōu)化原材料和溫控措施，在保溫保濕養(yǎng)護條件下，能有效減少裂縫。Yunus建立了有限差分熱模型，能夠較好的預測混凝土內(nèi)部溫度。

由上述研究可見，現(xiàn)階段對于公鐵兩用橋鋼吊箱混凝土承臺溫度控制技術缺乏研究。而本工程承臺承擔鐵路公路雙重荷載作用，因此對裂縫要求更為嚴格。以福建省平潭海峽公鐵兩用大橋為例，對鋼吊箱混凝土承臺溫度控制技術進行研究。通過有限元研究鋼吊箱混凝土承臺溫度場分布規(guī)律，提出適合鋼吊箱承臺溫控方案，并根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測驗證溫度控制的有效性。

2 工程概況

平潭海峽公鐵兩用大橋位于福建省平潭縣境內(nèi)，橋梁全長3 713 m。多跨簡支梁橋施工采用鋼吊箱混凝土承臺，厚度5.0 m，平面結構如圖1所示。由于承臺澆筑方量過大，遂采用分層澆筑的方法，第一層高度為2.0 m，第二層為3.0 m，澆筑間隔時間為7 d，采用C25混凝土封底，厚度為2.0 m。

圖1 承臺平面圖/mm

3 承臺溫度仿真分析

3.1 材料取值和環(huán)境條件

承臺選用C50混凝土，混凝土的配合比如表1所示。橋址所在地平潭縣屬于亞熱帶海洋季風氣候，全年冬短夏長。依據(jù)當?shù)貧庀筚Y料，仿真計算時澆筑溫度取為21.0 ℃。

表1 C50混凝土材料用量 kg/m3

3.2 冷卻水管布置

冷卻水管采用Φ40×2.5 mm，承臺第一澆筑層高2 m，布設2層水管，第二澆筑層高3 m，布設3層水管。冷卻水管橫向間距為80 cm，縱向間距為70 cm，冷卻水管具體布置方式如圖2所示。

圖2 水管布置示意圖

3.3 計算結果

(1)溫度結果

根據(jù)結構對稱性建立1/4模型，如圖3所示。經(jīng)計算，由圖4可知承臺第一層最高溫度為60.7 ℃，承臺第二層最高溫度為65.8 ℃，溫峰出現(xiàn)時間約為澆筑后第2 d，滿足規(guī)范小于50 ℃的規(guī)定。

圖3 有限元模型

圖4 承臺內(nèi)部最高溫度包絡圖

(2)應力計算結果

承臺各澆筑層溫度應力場分布如圖5和圖6所示。承臺早期因內(nèi)表溫度出現(xiàn)差異，導致承臺表面出現(xiàn)拉應力。3 d時溫度達到峰值，7 d后隨著溫度的降低，內(nèi)表溫差的減小，拉應力逐漸由承臺表面轉(zhuǎn)移至內(nèi)部，并趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 第一層混凝土應力場分布

圖6 第二層混凝土應力云圖

開裂風險點在于：

①澆筑第一層承臺后期，受混凝土收縮和封底混凝土約束的影響導致內(nèi)部拉應力較大；

②在澆筑承臺第二層與塔座交接面處，因初期承臺放熱較快，內(nèi)表溫差較大導致表面拉應力較大；

③計算澆筑間隔期為7 d，應注意避免澆筑間隔期過長，引起基礎約束過大。

4 承臺溫度場監(jiān)測及分析

4.1 監(jiān)測結果與模擬對比

根據(jù)有限元分析確定可知，承臺第一層澆筑與封底混凝土交接面、第二層澆筑與塔座交接面處拉應力較大。因此，第一次澆筑選擇測點為封底混凝土溫度最低點，混凝土中心點；第二次澆筑選擇測點為分層澆筑面溫度最低點，表面溫度最低點，混凝土中心點，測點溫度時程曲線如圖7所示。

圖7 測點的溫度時程曲線

4.2 數(shù)據(jù)分析

(1)最高溫度

由圖7可知，混凝土澆筑完成后的50 h，承臺溫度達到峰值。其中，在澆筑第一層混凝土時，絕熱溫升為38.2 ℃；在澆筑第二層混凝土時，絕熱溫升為39.5 ℃，均滿足規(guī)范要求。表明本方案中所采用的混凝土配合比可有效控制大體積混凝土所產(chǎn)生的水化熱；有限元得出承臺內(nèi)部最高溫為65.8 ℃，兩者結果相差不大，表明有限元模擬結果可用于預測施工的實際情況。

(2)降溫速率和內(nèi)表溫差

通過圖7(a)和(b)對比可知，由于兩者澆筑厚度不同，第二層混凝土降溫速率略快于第一層的降溫速率。從內(nèi)表溫差來看，第一層混凝土在200 h時最大達到10.5 ℃，第二層混凝土在450 h時最大達到12.5 ℃，均滿足規(guī)范要求。表明通過覆蓋塑料薄膜并加蓋復合土工布的保溫措施可達到良好的溫控效果。

5 結 論

本文以平潭海峽公鐵兩用大橋為工程背景，對承臺混凝土溫控技術開展研究。同時，對有限元結果和現(xiàn)場監(jiān)測結果進行分析，得到了以下結論：

(1)由有限元計算可知，受封底混凝土和鋼吊箱影響，混凝土對溫度應變更為敏感。特別是第一層與底層相交處及第二層與塔座相交處溫度裂縫的產(chǎn)生。

(2)通過監(jiān)測可知，承臺內(nèi)部最高溫度為64.5 ℃，有限元所得內(nèi)部最高溫為65.8 ℃，兩者結果相差不大，表明有限元模擬結果可用于預測施工的實際情況。

(3)所采用的混凝土配合比，冷卻水管布設方案和溫度控制措施，可有效降低混凝土所產(chǎn)生的水化熱，降低內(nèi)表溫差。可為類似工程項目提供參考和借鑒。