王忠

摘要： 大體積混凝土由于受溫度應(yīng)力的影響，嚴(yán)重時(shí)就會(huì)產(chǎn)生裂縫，針對(duì)這一問題，以某特大斜拉橋承臺(tái)大體積混凝土施工為背景，通過有限元仿真計(jì)算分析，明確了承臺(tái)混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場和溫度場的特征，提出了相應(yīng)的溫控標(biāo)準(zhǔn)和溫控措施。同時(shí)，通過對(duì)4#承臺(tái)仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)測進(jìn)行分析對(duì)比，反復(fù)調(diào)整建模中的一些參數(shù)再進(jìn)行反算，結(jié)果表明，參數(shù)調(diào)整后的溫度場更加符合實(shí)際，并在后期5#承臺(tái)澆筑中得到應(yīng)用。為類似工程提供了有益借鑒。

Abstract： Mass concrete is affected by temperature stress， and cracks occur when serious. In view of this problem， based on the construction of mass concrete of bearing cap of a super large cable stayed bridge， through the finite element simulation analysis， the characteristics of stress field and temperature field of concrete structure of concrete cap are defined， and the corresponding temperature control standards and temperature control measures are put forward. At the same time， the simulation results of 4# cap are compared with the actual measured results. Readjust some parameters in the modeling， and then do the inverse calculation. The results show that the temperature field after adjusting the parameters is more practical， and it is applied in the later 5# cap casting. It provides a useful reference for similar projects.

關(guān)鍵詞： 大體積混凝土；溫度控制；承臺(tái)

Key words： large cubic concrete；temperature control；pile cap

中圖分類號(hào)：U445.57 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）32-0133-03

0 引言

大體積混凝土在施工期間的溫度裂縫問題一直是工程界所面臨的一個(gè)難題，它影響因素諸多，形成機(jī)理比較復(fù)雜。從裂縫成因分析來看，國內(nèi)外普遍認(rèn)為溫度荷載是引起裂縫的重要因素[1-3]，因此溫度控制是保證大體積混凝土質(zhì)量的一個(gè)重要方面。混凝土在硬化時(shí)由于水化熱的作用會(huì)釋放出大量的熱量使其混凝土內(nèi)部溫度升高，在降溫期間，由于非均勻降溫而受到自身約束和外部約束，自身約束是內(nèi)部混凝土的互相約束，產(chǎn)生自身應(yīng)力；外部約束是來自基礎(chǔ)或舊混凝土的約束，產(chǎn)生外約束應(yīng)力。自身應(yīng)力和外部約束應(yīng)力都是由混凝土溫度變化而引起的溫度應(yīng)力[4-5]，當(dāng)這種溫度應(yīng)力超過混凝土相應(yīng)齡期的抗拉強(qiáng)度時(shí)就會(huì)產(chǎn)生裂縫，溫度裂縫不僅影響結(jié)構(gòu)的承載力和設(shè)計(jì)效果，而且對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性也有很大的影響。為此，本文采用有限元MIDAS軟件對(duì)施工期間溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行了仿真計(jì)算分析，明確了承臺(tái)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度場和應(yīng)力場的特征，提出了相應(yīng)的溫控指標(biāo)和溫控措施，為類似工程提供了有益借鑒。

1 工程概況

某特大橋主跨為406m三塔雙索面鋼箱鋼桁結(jié)合梁斜拉橋，全長1290.24m。3、4、5號(hào)主墩承臺(tái)設(shè)計(jì)為圓端形，平面尺寸44.51m×25.5m，承臺(tái)高6.5m。承臺(tái)平面面積1015.5m2，混凝土標(biāo)號(hào)為C30，承臺(tái)設(shè)計(jì)混凝土方量6600.6m3，鋼筋583.8t。承臺(tái)混凝土分兩次澆筑完成，第一次澆筑3m，約3046.4m3，第二次澆筑3.5m，約3554.2m3。

2 本工程所采用的溫度控制措施及分析

2.1 原材料

水泥：承臺(tái)所采用的水泥水化熱試驗(yàn)結(jié)果表明，3天水化熱為228.3kJ/kg，7天水化熱為262.6 kJ/kg；細(xì)骨料：選用河砂，細(xì)度模數(shù)2.3～3.0，細(xì)骨料含泥量不大于2.5%；粗骨料：選用岳陽臨湘碎石，粗骨料含泥量不應(yīng)大于1.0%，粗骨料選用石灰石，其熱膨脹系數(shù)低，能夠有效減少熱應(yīng)變；粉煤灰：Ⅱ級(jí)粉煤灰；外加劑：高效減水劑。

2.2 配合比設(shè)計(jì)階段的溫控措施

承臺(tái)大體積混凝土的粉煤灰摻量為38.5-39%，水膠比0.38，砂率為40-42%，具有良好的流動(dòng)性、和易性及泵送性能。粉煤灰可替代部分水泥，能有效降低絕熱溫升；粉煤灰在水泥水化初期不參與水化，能有效降低溫峰值。

據(jù)此設(shè)計(jì)承臺(tái)C30混凝土配合比如表1，3號(hào)墩承臺(tái)混凝土絕熱溫升為42.6℃，4、5墩承臺(tái)混凝土絕熱溫升均為41.9℃。

2.3 降低混凝土入模溫度的措施

在混凝土拌和之前先測量水、水泥、骨料及摻合料的溫度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算拌和后混凝土的溫度，如不能滿足入模溫度要求，應(yīng)采取在拌和水中加冰來調(diào)節(jié)水溫，以控制出機(jī)口溫度，直到滿足要求為止?？刂迫肽囟鹊闹饕胧┤缦拢?/p>

①粗骨料和細(xì)骨料。對(duì)砂、石等原材料采取防曬儲(chǔ)存措施，砂、石料存儲(chǔ)倉實(shí)行頂蓋+側(cè)面遮擋防曬措施。

②拌和水。當(dāng)入模溫度難以滿足要求時(shí)，優(yōu)先考慮在拌和水中加冰塊來降低拌和水溫度。根據(jù)計(jì)算，拌和水的溫度每降低1℃，混凝土的出機(jī)口溫度會(huì)降低0.25℃，碎石的溫度每降低1℃，混凝土的出機(jī)口溫度會(huì)降低0.35℃左右。endprint

③拌和泵送。對(duì)配料斗、皮帶運(yùn)輸機(jī)及攪拌機(jī)采取遮陽措施；對(duì)混凝土泵管表面采取麻袋覆蓋包裹，并澆水降溫。

2.4 采用管冷降溫措施

為了降低混凝土內(nèi)部最高溫度，減小基礎(chǔ)溫差和內(nèi)外溫差；同時(shí)也為了根據(jù)施工需要靈活的將混凝土溫度降低至指定溫度，因此本工程進(jìn)一步采取混凝土內(nèi)部布置冷卻水管法，水管采用Φ50鋼管，水管豎向間距1m，水平間距0.8m。溫控過程中利用水箱建立冷卻循環(huán)系統(tǒng)，在升溫階段開啟最大流量，以盡可能多的帶走混凝土內(nèi)部的熱量；在降溫階段主要通過流量和進(jìn)水口水溫的調(diào)節(jié)以滿足降溫速率的要求。溫控過程中每12～24h改變一次水流方向，以使混凝土內(nèi)部的溫度場變得均勻一些。

2.5 表面保溫保濕養(yǎng)護(hù)

大體積混凝土的裂縫主要由溫度應(yīng)力和干縮應(yīng)力產(chǎn)生，對(duì)混凝土表面進(jìn)行保溫保濕養(yǎng)護(hù)可以減小混凝土的內(nèi)外溫差，防止表面裂縫；防止外界氣溫驟降引起的危害結(jié)構(gòu)安全的裂縫；有效減小干縮變形。本項(xiàng)目承臺(tái)側(cè)面采用木模板+彩條布，頂面采用薄膜+棉被。

2.6 構(gòu)造措施

通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，承臺(tái)混凝土的拉應(yīng)力主要分布在上表面，在棱邊處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，建議在承臺(tái)表面配制防裂鋼板網(wǎng)，以減輕應(yīng)力集中效應(yīng)，提高混凝土的抗裂性。實(shí)際施工中在承臺(tái)第二次澆筑時(shí)頂面配制了防裂鋼板網(wǎng)，效果良好。

3 溫度監(jiān)測及溫控措施

3.1 溫度測點(diǎn)布置及測溫控制

根據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)稱性的特點(diǎn)，選取1/4承臺(tái)作為主要測試區(qū)域；測點(diǎn)的布置充分考慮了溫控指標(biāo)的測評(píng)；布置了必要的備用測點(diǎn)，以防損壞。承臺(tái)每次澆筑分四層共布置34個(gè)溫度測點(diǎn)，另布置包括水溫及氣溫測點(diǎn)若干。

在水化熱升溫階段，每2～4小時(shí)測1次，在降溫階段初期，降溫速率較快，每4～6小時(shí)測1次，在降溫階段后期每12～24小時(shí)測1次。根據(jù)溫度場及應(yīng)力場的計(jì)算結(jié)果，結(jié)合與監(jiān)測結(jié)果的對(duì)比分析，以4號(hào)墩承臺(tái)第二次澆筑混凝土芯部點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析見圖4-2，若發(fā)現(xiàn)溫度指標(biāo)超過規(guī)范要求后應(yīng)及時(shí)報(bào)警。

3.2 溫度控制指標(biāo)

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，此特大橋溫度控制的主要溫控指標(biāo)如下：混凝土入模溫度不宜超過28℃；里表溫差不宜大于20℃；最高溫度值不宜大于60℃，最大不超過65℃；的降溫速率不宜大于2℃/d。

4 仿真計(jì)算分析

利用MIDAS CIVIL建立實(shí)體模型進(jìn)行溫控分析，計(jì)算模型見圖1。

4.1 原計(jì)算結(jié)果與實(shí)測對(duì)比分析

通過工程實(shí)測取得的溫度數(shù)據(jù)和事先采用有限元模擬得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，以驗(yàn)證采用有限元法模擬得到的前期試驗(yàn)用來養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)的合理性。在此選用4號(hào)墩承臺(tái)第二次澆筑混凝土數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在方案制定階段采用的入模溫度為17℃，計(jì)算最高溫度為52.7℃。實(shí)測4#墩承臺(tái)第二次澆筑入模溫度在18℃左右，最高溫度為47.9℃。在此以芯部測點(diǎn)為參考，計(jì)算與實(shí)測溫度曲線對(duì)比見圖2。

由圖2可知， 混凝土在澆筑完成后急劇升溫，澆筑完2.5d左右達(dá)到溫峰值，理論計(jì)算為52.7℃，實(shí)測為47.9℃，實(shí)測與理論計(jì)算值比較接近，以及其曲線變化規(guī)律也與理論變化規(guī)律基本吻合。隨后混凝土溫度逐步下降，前期降溫速率比較快，隨后降溫速率較平緩，逐漸趨于穩(wěn)定。芯部點(diǎn)XY3-0原方案計(jì)算值高于實(shí)測值，到達(dá)溫峰的時(shí)間也比實(shí)測值晚，說明混凝土實(shí)際放熱速率比計(jì)算的要快，絕熱溫升比計(jì)算值小。

4.2 溫度反算結(jié)果與實(shí)測對(duì)比分析

根據(jù)實(shí)測值與計(jì)算值的對(duì)比分析，對(duì)相關(guān)計(jì)算參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，通過反復(fù)試算，調(diào)整后計(jì)算參數(shù)與原計(jì)算參數(shù)對(duì)比見表2。溫峰時(shí)溫度場分布云圖見圖3，芯部測點(diǎn)的計(jì)算與實(shí)測溫度曲線對(duì)比見圖4。

由圖4可知，在參數(shù)調(diào)整之后，計(jì)算值與實(shí)測值無論是在峰值還是峰值到來的時(shí)間以及曲線的變化規(guī)律基本一致。對(duì)實(shí)際工程的指導(dǎo)更有意義。

4.3 參數(shù)調(diào)整后的溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

溫度參數(shù)調(diào)整后，計(jì)算的最大溫度應(yīng)力為2.0Mpa，溫度應(yīng)力云圖見圖5，各關(guān)鍵測點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)程曲線見圖6。

計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn)，在升溫階段最大主拉應(yīng)力分布在冷卻水管周圍，這主要是因?yàn)樯郎仉A段采用大流量通冷水以消減溫峰，導(dǎo)致水管周圍溫度梯度較大，自約束應(yīng)力偏大。有上圖可知，混凝土升溫期間內(nèi)部表現(xiàn)為壓應(yīng)力，最大為1.8MPa，后期逐步轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力。整體混凝土拉應(yīng)力主要分布在承臺(tái)外表面及棱邊，最大溫度應(yīng)力發(fā)生于溫控后期，位于承臺(tái)長邊中心附近，主要是由混凝土降溫及收縮變形引起，與理論分析一致。棱邊處雙面散熱，溫度梯度大，后澆筑混凝土的底部受舊混凝土約束作用強(qiáng)，均為拉應(yīng)力集中分布部位，應(yīng)加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)?？梢?，最大溫度應(yīng)力發(fā)生于溫控后期，位于承臺(tái)長邊中心附近，主要是由混凝土降溫及收縮變形引起，與理論分析一致。

5 結(jié)論

此特大橋主塔承臺(tái)大體積混凝土的溫度控制，通過優(yōu)化混凝土的配合比，嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量，盡可能的降低入模溫度，承臺(tái)混凝土內(nèi)部布置冷卻水管，加強(qiáng)保溫保濕養(yǎng)護(hù)等措施取得了較為理想的效果，在整個(gè)澆筑養(yǎng)護(hù)期間，承臺(tái)大體積混凝土的表面未出現(xiàn)可見裂縫。通過本次實(shí)踐可以得出以下結(jié)論。

①在整個(gè)溫控過程中承臺(tái)混凝土的最高溫度64.1℃、最大里表溫差19.8℃、最大平均降溫速率1.82℃/d，主要溫控指標(biāo)均滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

②僅就當(dāng)前承臺(tái)C30混凝土所采用的配合比而言，絕熱溫升在為39℃左右；入模溫度為18℃左右時(shí)，放熱速率系數(shù)可取為1.0；側(cè)面采用2cm木模板+1層彩條布的保溫效果較好，對(duì)流系數(shù)可取為12kJ/m2·h·℃， 頂面采用1層塑料薄膜+1層棉被（濕潤）對(duì)流系數(shù)取可為12kJ/m2·h·℃。

③由于混凝土溫度裂縫影響因素較多，形成機(jī)理較為復(fù)雜，建議在混凝土施工之前進(jìn)行多工況、多參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算分析，選擇最優(yōu)的方案，把包括配合比等各種不利因素均考慮在內(nèi)，確保避免溫度裂縫的產(chǎn)生。

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