郭家沱長江大橋錨碇大體積混凝土水化熱研究

譚雙全，黎人亮，熊桂開，祝小龍，胡 奇

（1.重慶市勘測院，重慶市400020；2.重慶中建郭家沱大橋建設(shè)運(yùn)營管理有限公司，重慶市400020）

0 引 言

隨著我國交通事業(yè)的發(fā)展，懸索橋在大跨徑橋梁中應(yīng)用越來越廣泛。根據(jù)主纜錨固方式的不同，懸索橋可以分為地錨式和自錨式。地錨式懸索橋錨碇根據(jù)構(gòu)造型式又分為兩種類型，為別為隧道式錨碇和重力式錨碇，其中重力式錨碇是典型的大體積混凝土結(jié)構(gòu)。

我國相關(guān)規(guī)范中對大體積混凝土的定義為：混凝土結(jié)構(gòu)物實(shí)體最小尺寸≥1 m 的大體量混凝土，或預(yù)計(jì)會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土[1]。

如今，工程師們早已認(rèn)識到溫度應(yīng)力是導(dǎo)致大體積混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)各類裂縫的重要原因[2]。在實(shí)際工程中，大體積混凝土結(jié)構(gòu)由于其在施工過程中一次性澆筑方量比較大，水泥水化反應(yīng)所釋放的熱量在自然狀況下很難傳遞到結(jié)構(gòu)表面，集聚在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的巨大熱量將使混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度快速上升，而此時(shí)結(jié)構(gòu)外部溫度往往又比較低，這將導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外存在較大的溫差從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力使其外表面處于受拉狀態(tài)，當(dāng)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生溫度應(yīng)力高于混凝土的抗拉強(qiáng)度承載力，將使混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生開裂，其整體性將被破壞，削弱混凝土結(jié)構(gòu)的功能，影響此混凝土結(jié)構(gòu)在后續(xù)施工及正常使用過程中的狀態(tài)及安全[3]。所以，進(jìn)行大體積混凝土施工前，開展相應(yīng)結(jié)構(gòu)的溫控措施以及水化熱規(guī)律研究就具有重要意義。對大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工過程中產(chǎn)生的水化熱進(jìn)行嚴(yán)格控制，避免其溫度應(yīng)力超限，從而產(chǎn)生溫度裂縫尤為重要。本文以在建的郭家沱長江大橋錨碇為例，在錨碇結(jié)構(gòu)施工前進(jìn)行其水化熱研究，掌握結(jié)構(gòu)施工中的水化熱規(guī)律，從而制定大體積混凝土結(jié)構(gòu)降低水化熱方案及相應(yīng)的溫控措施，保證結(jié)構(gòu)在施工中不產(chǎn)生溫度裂縫。

1 工程概況

作為六縱線跨越長江的重點(diǎn)控制性工程，重慶郭家沱大橋是一座公軌兩用橋梁，該橋采用雙層布置。上層為城市快速路，設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h，雙向八車道，荷載標(biāo)準(zhǔn)為城-A 級，人群荷載2.4 kN/m2，路幅寬度37 m，橋面橫坡為雙向2.0%，橋面縱坡為雙向0.5%。下層為雙線軌道交通，軌道縱坡為雙向0.5%，軌面以上凈高7.0 m。

郭家沱長江大橋主橋橋跨布置為67.5 m+720 m+75 m=862.5 m，是一座單孔懸吊雙塔三跨連續(xù)鋼桁梁懸索橋，主纜跨度布置為253.3 m+720 m+253.3 m，垂跨比1/9，垂度80 m，兩根主纜中心距為38.0 m。吊索設(shè)置于中跨，橋塔處吊索距橋塔中心線水平距離為15 m，吊索水平間距為15 m。

郭家沱大橋南、北錨錨碇均采用重力式錨，為滿足錨碇地基承載力及結(jié)構(gòu)抗滑移、抗傾覆的要求，錨體及基礎(chǔ)后部巖體按照1∶0.3 開挖坡率放坡，對邊坡按照永久邊坡進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，錨體及基礎(chǔ)采用原槽澆筑，以降低側(cè)向土壓力的影響。錨碇主要由錨體、散索鞍、前錨室、后錨室、壓重塊及擴(kuò)大基礎(chǔ)構(gòu)成，各部采用材料見表1。

表1 錨碇材料

本文主要以南錨碇為例，南錨碇三維構(gòu)造示意圖見圖1。南錨碇區(qū)位于丘陵斜坡，地形坡度一般22°～30°，上覆土層為粉質(zhì)黏土，厚度0～2.0 m；下伏基巖為砂質(zhì)泥巖夾薄層砂巖，砂質(zhì)泥巖巖體完整性指數(shù)0.71～0.79，為較完整～完整，巖體單軸飽和抗壓強(qiáng)度為10.1 MPa。南錨碇基礎(chǔ)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)并設(shè)置臺階，基礎(chǔ)底面均位于中風(fēng)化泥巖巖層上；基礎(chǔ)橫橋向?qū)?2 m，順橋向總長55 m，設(shè)置3 m 襟邊；擴(kuò)大基礎(chǔ)總高15 m，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)用C30 混凝土24 366 m3。

圖1 南錨碇三維構(gòu)造示意圖

散索鞍采用C40 混凝土結(jié)構(gòu)，橫橋向總寬56 m，設(shè)計(jì)用混凝土15 403 m3。壓重塊采用C30 素混凝土澆筑，橫橋向總寬15.5 m，順橋向長31.3 m，高6.8 m；壓重塊共2 塊，設(shè)計(jì)用混凝土7 242 m3。錨體橫橋向?qū)?6 m，順橋向總長42.8 m，高26.8 m，設(shè)計(jì)用C30混凝土47 073 m3。錨碇為大體積混凝土結(jié)構(gòu)，對錨體、散索鞍和前錨室應(yīng)每塊分層灌注。為防止錨體溫度裂縫的發(fā)生，除要求采用低水化熱水泥和對骨料進(jìn)行預(yù)冷外，每層設(shè)置冷卻管，進(jìn)行冷卻，并且錨體表面設(shè)置?20 mm 溫度鋼筋，間距20 cm，此外，錨體表面還需設(shè)置?6 mm 間距10 cm×10 cm 的冷軋帶肋鋼筋網(wǎng)。

2 錨碇施工

擴(kuò)大基礎(chǔ)、錨體、壓重塊、鞍部等構(gòu)造物屬大體積混凝土結(jié)構(gòu)物，為避免混凝土水化熱引起混凝土開裂，將采用分層澆筑混凝土的方式施工，層厚為1～2 m，并沿錨碇縱向中心線設(shè)置一條2 m 寬的后澆帶，將錨碇基礎(chǔ)、錨體及鞍部分成左右兩個(gè)部分，如圖2、圖3 所示。

圖2 南錨碇后澆帶設(shè)置示意圖（單位：m）

圖3 錨碇基礎(chǔ)分層（單位：m）

混凝土澆筑完成后由于內(nèi)部水化熱影響較易產(chǎn)生裂縫，為此在施工時(shí)設(shè)置冷卻水管。擴(kuò)大基礎(chǔ)、錨體、壓重塊、鞍部等構(gòu)造物均按照分層來布置冷卻水管，小于等于1.5 m 每層設(shè)置一層冷卻水管，大于1.5 m 每層設(shè)置兩層冷卻水，冷卻管為直徑D50 mm，厚度3.5 mm 的薄壁鋼管，每層內(nèi)冷卻水管間距1 m如圖4 所示。

圖4 冷卻管布置示意圖（單位：cm）

3 溫度控制措施

3.1 混凝土配合比設(shè)計(jì)

在制定混凝土溫度控制措施時(shí)，首先應(yīng)從混凝土材料本身性質(zhì)出發(fā)，對大體積混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，其基本原則是控制混凝土性能，配置出極限拉伸變形能力大、絕熱溫升小、線脹系數(shù)小、熱強(qiáng)比小、抗拉強(qiáng)度大，以及混凝土自生體積變形至少應(yīng)是低收縮率，最好為微膨脹的混凝土。在進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按照低水膠比、低坍落度、低砂率、摻高性能引氣劑、高效減水劑、及高粉煤灰摻量的基本原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，本工程C30 混凝土的配合比如表2 所示。其中，P.O42.5 水泥R28=52.7；細(xì)骨料為機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)2.7；粗骨料碎石粒徑5～20 mm。

表2 C30 混凝土配合比

3.2 混凝土性能控制

溫度控制措施中對于混凝土的性能控制，可根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T F5—2011）和《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50496—2018） 中的相關(guān)要求進(jìn)行控制，其基本要求如下：

（1）混凝土澆筑結(jié)構(gòu)在入模溫度基礎(chǔ)上的溫度升高值不宜大于50℃；

（2）混凝土內(nèi)部最高溫度小于等于75℃、內(nèi)表溫差小于等于25℃；

（3）混凝土澆筑體的降溫速率不宜大于2.0℃/d；

（4）混凝土澆筑體表面與大氣溫差不宜大于20℃；

（5）層與層之間的混凝土澆注間隔時(shí)間控制，按前次澆注混凝土核心溫度與其表面溫度差應(yīng)小于20℃，同時(shí)已澆注混凝土的強(qiáng)度應(yīng)大于其設(shè)計(jì)強(qiáng)度的50%。

3.3 埋設(shè)冷卻水管及其控制要求

大體積混凝土在進(jìn)行澆筑施工時(shí)，可以通過在綁扎結(jié)構(gòu)鋼筋時(shí)預(yù)先埋置冷卻水管，在澆筑過程中，通過埋置的冷卻水管中的水體流動帶走混凝土內(nèi)部由于水化熱反應(yīng)產(chǎn)生的巨大熱量，保持所澆筑的混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差不過大，可以避免產(chǎn)生超限的溫度應(yīng)力帶來的溫度裂縫。對于大體積混凝土結(jié)構(gòu)中所埋置的冷卻水管一般有如下幾點(diǎn)要求：

（1）冷卻管使用前應(yīng)做壓水試驗(yàn)，以防出現(xiàn)管道漏水、阻水等情況，通水時(shí)間大約在1h，對于出現(xiàn)前述問題部位馬上采取修補(bǔ)措施；

（2）冷卻管進(jìn)水口處布設(shè)分水器，每套冷卻水管布設(shè)1 個(gè)分水器，分水器設(shè)置控制閥門；每套水管應(yīng)采用單獨(dú)的閥門，并對每套水管逐一編號；

（3）混凝土內(nèi)部通水降溫，進(jìn)出口水的溫差宜小于等于10℃，且水溫與內(nèi)部混凝土的溫差宜小于20℃，降溫速率宜小于2℃/d[4]。

3.4 混凝土澆筑溫度的控制

在進(jìn)行大體積混凝土結(jié)構(gòu)的澆筑施工時(shí)，控制混凝土的澆筑溫度對控制混凝土裂縫是相當(dāng)重要的。同一混凝土，相較而言，澆筑入模時(shí)溫度高的混凝土所產(chǎn)生的溫升值要比入模溫度低的增大很多。所以在澆筑施工時(shí)，現(xiàn)場需根據(jù)施工時(shí)的環(huán)境溫度對應(yīng)調(diào)整混凝土的入模溫度。施工過程中應(yīng)控制好原材料溫度和在生產(chǎn)運(yùn)輸過程中的保溫，從而滿足澆筑溫度小于28℃的相關(guān)要求，保證混凝土入模時(shí)溫度在相對合適范圍。

3.5 混凝土的養(yǎng)護(hù)

混凝土的養(yǎng)護(hù)主要包括溫度和濕度，這兩項(xiàng)因素將在較大程度上影響到結(jié)構(gòu)表層混凝土的抗裂性、耐久性。在混凝土結(jié)構(gòu)剛剛澆筑成型的一段時(shí)間內(nèi)，結(jié)構(gòu)本身并未產(chǎn)生足夠的強(qiáng)度，混凝土的水化反應(yīng)還在持續(xù)進(jìn)行，所以在澆筑完成后需要做好結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)工作，保證其溫度和濕度；從而進(jìn)一步促進(jìn)內(nèi)部水化反應(yīng)的加速進(jìn)行，而混凝土的水泥只有其水化反應(yīng)進(jìn)行到一定程度才能形成有利于混凝土強(qiáng)度和耐久性的微結(jié)構(gòu)。對于混凝土的養(yǎng)護(hù)一般要求有：

（1）當(dāng)環(huán)境溫度大于5℃時(shí)，根據(jù)混凝土內(nèi)部溫升情況，可推遲保溫養(yǎng)護(hù)，當(dāng)施工時(shí)現(xiàn)場環(huán)境溫度小于5℃，應(yīng)對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行保濕、保溫養(yǎng)護(hù)[5]。

（2）普通混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于14 d，摻粉煤灰混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于21 d。

3.6 監(jiān)測實(shí)施方案及儀器設(shè)備

為實(shí)時(shí)監(jiān)控澆筑混凝土?xí)r結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度變化，大體積混凝土結(jié)構(gòu)澆筑時(shí)的溫度監(jiān)測工作應(yīng)提前制定好，本工程的監(jiān)測方案及儀器設(shè)備要求如下：

（1）監(jiān)測實(shí)施方案

監(jiān)測工作包括選購傳感器、現(xiàn)場預(yù)埋、測量及整理數(shù)據(jù)、完成報(bào)告等。混凝土的內(nèi)部溫度監(jiān)測詳細(xì)流程如圖5 所示。

圖5 溫控監(jiān)測流程圖

傳感器的選購及預(yù)埋工作應(yīng)在混凝土澆筑施工前實(shí)施好。對于混凝土的溫度測試，應(yīng)保證在混凝土澆筑完后，能實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場溫度。當(dāng)混凝土溫度進(jìn)入下降階段，需對冷卻水管流量進(jìn)行合理控制，以防止混凝土溫度下降過快。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測的溫度決定具體的冷水管通水情況。

（2）儀器設(shè)備

溫度傳感器采用JMT-36C，采集溫度的設(shè)備采用JMWT-64RT。

（3）測溫元件布置

溫度監(jiān)測元件的布設(shè)原則為重點(diǎn)突出且兼顧全局。本工程分析時(shí)按照溫度變化的一般性規(guī)律以及結(jié)構(gòu)對稱性，選擇僅在對稱軸的一側(cè)布置監(jiān)測點(diǎn)，將澆筑平面圖的四分之一平面作為監(jiān)測區(qū)，部分傳感器布置如圖6 所示。

圖6 傳感器布置圖

3.6 溫度監(jiān)測停止條件

混凝土的降溫速率和內(nèi)外溫差滿足規(guī)范限值，并且環(huán)境最低溫度與混凝土最高溫度兩者的差值連續(xù)三天小于25℃時(shí)，溫度監(jiān)測工作可停止[5]。

4 數(shù)值分析

為了在施工前研究掌握本工程中錨碇的水化熱變化規(guī)律，在分析計(jì)算時(shí)，根據(jù)實(shí)際的施工情況將錨碇分為壓重塊、散索鞍、錨塊和基礎(chǔ)四部分，每個(gè)部分分別建立有限元模型分析，混凝土施工步驟按分層分塊澆筑，埋置的冷卻水管按照實(shí)際布置方案進(jìn)行布設(shè)。本文選取南錨碇基礎(chǔ)進(jìn)行分析介紹。

4.1 計(jì)算參數(shù)

錨碇水化熱計(jì)算熱工參數(shù)見表3，根據(jù)當(dāng)?shù)仄骄鶜鉁?，環(huán)境溫度變化曲線如圖7 所示。圖8 為南錨碇基礎(chǔ)三維有限元分析模型，圖9 為冷卻水管布置方案。

表3 水化熱計(jì)算參數(shù)

圖7 溫度變化曲線

圖8 有限元模型

圖9 冷卻水管布置

4.2 計(jì)算結(jié)果

限于篇幅，本文以基礎(chǔ)第一層為例進(jìn)行介紹。

（1）混凝土內(nèi)部溫度

由圖10 可知，南錨碇基礎(chǔ)第一層混凝土澆筑后內(nèi)部溫度最大值約為51.4℃，發(fā)生在澆筑后的第24 h。

圖10 錨碇基礎(chǔ)溫度云圖

（2）混凝土內(nèi)部溫度曲線

由圖11 可知，南錨碇基礎(chǔ)第一層混凝土澆筑后的結(jié)構(gòu)內(nèi)表溫差小于25℃，且混凝土結(jié)構(gòu)最大溫度減去入模溫度小于50℃，滿足規(guī)范要求。

圖11 錨碇基礎(chǔ)理論溫度曲線圖

南錨碇基礎(chǔ)第一層于夜晚澆筑，約早晨8 點(diǎn)澆筑完成?，F(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，第二天中午13：00—14：00 達(dá)溫度峰值，約60.7℃，溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)間與理論計(jì)算相接近。溫度最大值較理論值存在一定偏差，主要因?yàn)楸径螘r(shí)間正是重慶一年中的高溫天氣，復(fù)雜的外部邊界條件，計(jì)算模型不能完全模擬其影響，但整個(gè)升降溫趨勢基本一致。

5 結(jié) 語

郭家沱大橋南錨碇基礎(chǔ)于2020 年8 月開始施工，2020 年10 月施工完成。施工過程中，按照本文所述方法進(jìn)行大體積混凝土溫度控制，南錨碇基礎(chǔ)混凝土的最高溫度、最大溫升、內(nèi)外溫差及層間溫差均未超過標(biāo)準(zhǔn)限值。經(jīng)現(xiàn)場檢查，未發(fā)現(xiàn)混凝土溫度裂縫，保證了混凝土的施工質(zhì)量，為后續(xù)錨碇結(jié)構(gòu)的施工提供了技術(shù)支持和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，也對類似大體積混凝土結(jié)構(gòu)的施工和分析提供了技術(shù)指導(dǎo)和理論參考。